KR101606621B1 - Membrane Separation Method and System Utilizing Waste Heat for On-Board Recovery and Storage of CO2 From Motor Vehicle Internal Combustion Engine Exhaust Gases - Google Patents
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Abstract
대기로 방출되는 CO2의 양을 감소시키기 위하여 차량의 탄화수소-연료 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 CO2 함유 배기 스트림의 온-보드 처리에 대한 방법 및 시스템은 폐열을 전기적 및/또는 기계적 에너지로 전환시키는 폐열 회수 장치 및 폐열 회수 구역으로부터의 냉각된 배기 가스 스트림과 유체 연통하는 막 분리 구역을 포함하며, 상기 막 분리 구역은 (i) CO2가 침투하고 냉각을 위해 치밀화 구역에서 처리되는 침투면을 가지며, 일시적 온-보드에 저장을 위해 CO2를 치밀화시키는 막 모듈 및 (ⅱ) 감소된 CO2 양의 처리된 배기 가스 스트림의 유출구와 연통하며, 냉각된 배기 가스 스트림과 접촉하는 체류면을 포함한다. A method and system for on-board treatment of a CO 2 -containing exhaust stream discharged by a hydrocarbon-fuel internal combustion engine (ICE) of a vehicle to reduce the amount of CO 2 released into the atmosphere can be used to reduce waste heat to electrical and / , And a membrane separation zone in fluid communication with the cooled exhaust stream from the waste heat recovery zone, the membrane separation zone comprising (i) a permeate which is permeable to CO 2 and which is treated in the densified zone for cooling has a face, a temporary on-communicates with the outlet of the membrane module, and (ⅱ) reducing the CO 2 amount of the exhaust gas stream, the processing of which densify the CO 2 for storage on board, side stay in contact with the cooled exhaust gas stream, .
Description
본 발명은 폐열을 생산하는 내연기관 (internal combustion engines) 및 여러 열 기관에 의해 동력이 공급되는 차량의 배기 가스 스트림 (exhaust gas stream)으로부터 이산화탄소 배출의 감소에 관한 것이다.
The present invention relates to the reduction of carbon dioxide emissions from internal combustion engines producing waste heat and from exhaust gas streams of vehicles powered by several heat engines.
현재 지구 온난화는 이산화탄소 (CO2) 및 메탄 (CH4)과 같은 온실 가스의 배출 때문이라고 여겨지고 있다. 전세계적으로 사람-유래의 CO2 배출의 약 1/4은 이동 오염원, 즉, 내연기관 (ICE)에 의해 동력이 공급되는 자동차, 트럭, 버스 및 기차로부터 발생된다고 현재 추정된다. 이러한 비율적인 기여는 개발도상국에서 자동차 및 트럭 소유의 계획된 급상승으로 가까운 장래에 빠르게 성장할 것이다. 현재, 운송 업종 (transportation sector)이 원유에 대한 주시장이고, CO2 배출의 제어는 대안 기술, 예를 들면, 전기 모터 및 저장 배터리에 의해 동력이 공급되는 차량과 같은 대안 기술로부터의 도전에 직면하여 상기 운송 업종에서 원유 시장의 생존력을 유지시키기 위한 환경적인 의무이고 원하는 목표이다. Global warming is now believed to be due to emissions of greenhouse gases such as carbon dioxide (CO 2 ) and methane (CH 4 ). Globally, it is currently estimated that about one-quarter of the human-derived CO 2 emissions result from mobile pollutants, namely from cars, trucks, buses and trains powered by internal combustion engines (ICEs). This proportional contribution will grow rapidly in the near future with planned increases in car and truck ownership in developing countries. Currently, the transportation sector is the main market for crude oil and the control of CO 2 emissions is faced with the challenge from alternative technologies, such as vehicles powered by alternative technologies, for example electric motors and storage batteries Is an environmental obligation and a desired goal to maintain the viability of the oil market in the transportation sector.
이동 오염원으로부터의 이산화탄소 관리는 공간 및 중량 제한, 어떤 규모의 경제의 부족 및 이동 오염원에 동력을 공급하는 ICE의 운전의 동적 특성을 포함하는 많은 어려운 문제들이 존재한다. Carbon dioxide management from mobile sources has many difficult problems including space and weight limitations, lack of economies of scale, and the dynamic nature of the operation of ICEs that power mobile sources.
연소 가스로부터의 CO2의 포획을 위한 종래의 방법은 발전소 (power plants)와 같은 고정 오염원 (stationary source)에 주로 초점이 맞춰져 있다. 이들 방법들은 산소를 사용하는 연소를 이용하고, CO2 포획제 (capture agent)의 재생 및 재사용을 위한 수단을 제공하지 않으며, 및/또는 뜨거운 오염원으로부터 회수된 폐열을 사용하지 않는, 이동 오염원으로부터의 CO2 배출을 감소시키는 문제점을 거론한다. 산소를 사용하는 연소는 배기 가스로부터 CO2를 분리하는 것보다 좀더 에너지-집약적이고, 만약 차량 온 보드에 시도된다면 더욱 어려울 수 있는 산소-질소 분리 단계를 요구한다. Conventional methods for capturing CO 2 from combustion gases are primarily focused on stationary sources such as power plants. These methods use combustion using oxygen, do not provide a means for regeneration and reuse of a CO 2 capture agent, and / or do not use waste heat recovered from a hot source. CO 2 The issue of reducing emissions is discussed. Combustion using oxygen is more energy-intensive than separating CO 2 from the exhaust gas and requires an oxygen-nitrogen separation step, which can be more difficult if attempted on a vehicle-on-board.
CO2 포획 기술의 초점은 정지된 (stationary) 또는 고정된 (fixed) 오염원에 있어 왔다. 이동 오염원으로부터 CO2의 포획은 규모의 경제를 역행하는 분산 시스템 (distributed system)을 포함하기 때문에, 일반적으로 매우 고가로 여겨져 왔다. 상기 문제점에 대한 해법은 차량 온-보드 공간 제약, 부가적인 에너지 및 장치 요구조건 및 차량의 운전 사이클, 예를 들면, 급격한 가속 및 감속의 단속적 기간의 동적 특성 때문에 실행 불가하다고 여겨지고 있다.
CO 2 The focus of capture technology has been on stationary or fixed sources. Capture of CO 2 from mobile sources has generally been considered very expensive, because it involves a distributed system that counteracts economies of scale. The solution to this problem is considered ineffective due to the dynamic nature of the vehicle on-board space constraints, additional energy and equipment requirements, and intermittent periods of driving cycles of the vehicle, for example, rapid acceleration and deceleration.
따라서, 본 발명의 목적은 CO2의 일시적 온-보드 저장에 의해 차량으로부터의 CO2 배출을 감소시키는 효율적이고 비용 절감의 문제점을 처리하는 방법, 시스템 및 장치를 제공하는 데 있다. 이러한 시스템의 대량 생산을 위한 능력은 이들 이동 오염원의 분산 특성과 관련된 기타 비용을 적어도 부분적으로 상쇄할 것이다. It is therefore an object of the present invention is temporarily on the CO 2 - CO 2 from the vehicle by the board storage Systems, and devices that address the problems of efficient and cost-saving emissions reduction. The ability to mass-produce such systems will at least partially offset the costs associated with the dispersion characteristics of these mobile sources.
본 발명의 또 다른 목적은 CO2가 요구되는 다수의 상업적 및 산업적 공정 중 어느 것에 활용될 수 있거나, 또는 영구 저장부 (permanent storage site)로 보내질 수 있도록, 자동차로부터 대기로 방출될 수 있는 본질적으로 순수한 CO2를 포획 및 저장하기 위해 적용된 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다. It is a further object of the present invention to provide a process for the production of CO 2 which can be utilized in any of a number of commercial and industrial processes where CO 2 is required, And to provide a system and method for capturing and storing pure CO 2 .
본 발명에서 사용된 바와 같은, 용어 "내연 기관", 또는 ICE는 탄소-함유 연료가 동력을 생산하거나 운전하도록 연소되고, 반드시 소실되거나 제거되어야 하는 폐열을 발생시키는 열 기관을 포함한다. The term "internal combustion engine ", or ICE, as used in the present invention, includes a thermal engine that generates waste heat that is burned and must be lost or removed so that the carbon-containing fuel produces or drives power.
본 발명에서 사용된 바와 같은, 용어 "이동 오염원 (mobile source)"은 CO2를 함유하는 배기 가스 스트림을 생산하는 하나 이상의 내연 기관에 의해 동력이 공급되는, 물품 및/또는 사람을 운송하는데 사용될 수 있는 어떤 폭넓게 다양한 알려진 수송기관 (conveyance)을 의미한다. 이러한 수송기관은 기차 및 선박뿐만 아니라 육상을 이동하는 모든 타입의 자동차를 포함하고, 여기서 상기 ICE로부터의 배기는 대기로 방출되기 전에 함유 도관 (containing conduit)으로 방출된다. As used herein, the term "mobile source" is used to convey an article and / or a person, which is powered by one or more internal combustion engines producing an exhaust gas stream containing CO 2 Means any of a wide variety of known conveyances. Such transport vehicles include not only trains and ships but also all types of vehicles moving onshore, wherein the exhaust from the ICE is released into the containing conduit before being discharged to the atmosphere.
본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어 "차량"은, 상기 사용된 바와 같이, "이동 오염원"과 같은 의미로서 편리하게 약칭되었고 "수송기관"으로도 사용됨을 알 수 있을 것이다.As used herein, the term "vehicle ", as used above, is conveniently abbreviated as a" mobile pollutant source "
본 발명에서 사용된 바와 같은, 용어 "폐열"은 전형적인 엔진이 생산하는 열이며, 상기 열은 뜨거운 배기 가스 (~300-650℃) 및 뜨거운 냉각수 (~90-120℃)에 주로 함유된다. 부가적인 열은 엔진 블럭 및 상기 엔진 블럭과 관련된 구성요소, 및 매니폴드 (manifold), 파이프, 촉매 변환기 및 머플러를 포함하는, 배기 가스가 통과하는 여러 구성요소로부터 대류 및 복사에 의해 배출 및 손실된다. 이러한 열 에너지를 다 합치면 전형적인 탄화수소 (HC) 연료가 제공하는 에너지의 약 60%이다.
As used herein, the term "waste heat" is the heat produced by a typical engine, and the heat is mainly contained in hot exhaust gas (~ 300-650 ° C) and hot cooling water (~ 90-120 ° C). The additional heat is discharged and lost by convection and radiation from the various components through which the exhaust gas passes, including components associated with the engine block and the engine block, and manifolds, pipes, catalytic converters and mufflers . Combining all of these thermal energies is about 60% of the energy provided by a typical hydrocarbon (HC) fuel.
본 발명의 일 구체 예에 있어서,
차량의 동력을 공급하기 위해 사용된 탄화수소-연료 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법으로서,
a. 상기 ICE로부터 차량 온-보드 (on-board)의 제1 폐열 회수 구역으로 상기 배기 가스 스트림을 통과시키는 단계 및 열 교환을 위한 통과를 위해 상기 ICE로부터 뜨거운 배기 가스 스트림을 수용하기 위한 유입구 및 낮은 온도에서 냉각된 배기 스트림을 방출하는 위한 방출 유출구를 구비하는 적어도 하나의 열 교환기와 상기 고온 배기 가스 스트림을 접촉시키는 단계,
상기 제1 폐열 회수 구역은 상기 배기 가스 스트림의 폐열을 전기적 및/또는 기계적 에너지로 전환시키기 위한 적어도 하나의 열 회수 장치를 더욱 포함하고;
b. 상기 제1 폐열 회수 구역의 상기 배기 가스 스트림 방출 유출구와 유체 연통하며, 처리된 배기 가스 스트림 유출구을 포함하고 상기 냉각된 배기 가스 스트림과 접촉하는 체류면 및 CO2 방출 유출구를 구비하고 CO2가 침투하는 침투면을 갖는 막을 구비하는 적어도 하나의 막 모듈과 접촉하는 막 분리 구역으로 상기 냉각된 배기 가스 스트림을 통과시키는 단계;
c. 상기 막 모듈의 침투면으로부터 치밀화 구역으로 상기 CO2를 통과시키는 단계 및 상기 CO2의 온도 및 부피를 감소시키는 단계;
d. 상기 치밀화된 CO2를 상기 차량 온-보드에 일시적 저장을 위해 저장 구역으로 이동시키는 단계; 및
e. 감소된 CO2 함량을 갖는 상기 처리된 배기 가스 스트림을 상기 막 모듈의 상기 처리된 배기 가스 스트림 유출구와 유체 연통하는 배기 가스 도관으로 통과시키는 단계 및 상기 처리된 스트림을 대기로 방출시키는 단계를 포함하는 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구체 예에 있어서,
상기 방법은 상기 차량의 ICE의 시동 이후에 실질적으로 연속적으로 작동한다.
본 발명의 일 구체 예에 있어서,
상기 방법은 상기 CO2가 침투하는 침투면을 갖는 막을 가로지르는 압력차를 생성시키기 위해 상기 배기 가스 스트림의 열 에너지의 일부를 활용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 구체 예에 있어서,
상기 방법은 상기 배기 가스 스트림의 적어도 일부의 압력을 증가시키기 위해 터보차저를 통하여 상기 배기 가스 스트림을 통과시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 구체 예에 있어서,
상기 방법은 막 모듈로 도입되기 전에 상기 배기 가스 스트림의 온도를 감소시키기 위해 상기 터보차저의 제2 폐열 회수 구역 하류를 통하여 상기 배기 가스 스트림을 통과시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 구체 예에 있어서,
상기 배기 가스 스트림의 CO2 함량은 적어도 10% 만큼 감소된다.
본 발명의 일 구체 예에 있어서,
대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키기 위해 차량의 동력을 공급하기 위해 사용된 탄화수소-연료 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 CO2 함유 배기 가스 스트림의 온-보드 처리 시스템으로서,
a. 열 교환을 위해 고온 배기 가스 스트림을 수용하고, 낮은 온도에서 상기 배기 스트림을 방출하기 위한 차량 온 보드의 제1 폐열 회수 구역,
상기 제1 폐열 회수 구역은 열 교환을 위한 통과를 위해 상기 ICE로부터 뜨거운 배기 가스 스트림을 수용하기 위한 유입구 및 냉각된 배기 가스 스트림 방출 유출구를 갖는 적어도 하나의 열 교환기를 포함하고,
상기 제1 폐열 회수 구역은 상기 배기 가스로부터의 폐열을 전기적 및/또는 기계적 에너지로 전환시키기 위한 적어도 하나의 열 교환기와 함께 작동하는 적어도 하나의 열 회수 장치를 더욱 포함하며;
b. 처리된 배기 가스 스트림 유출구을 포함하고 상기 냉각된 배기 가스 스트림에 의해 접촉된 체류면 및 CO2가 침투하는 침투면을 구비하는 막 모듈을 포함하며, 상기 제1 폐열 회수 구역으로부터 상기 배기 가스 스트림 방출 유출구와 유체 연통하는 막 분리 구역;
c. 상기 CO2를 적어도 액화시키기 위해 상기 CO2의 온도 및 부피를 감소시키고, 감소된 CO2 함량의 처리된 배기 가스 스트림을 생산하기 위한 수단을 포함하며, 침투시킨 CO2를 수용하기 위한 상기 막 모듈의 침투면과 유체 연통하는 치밀화 구역;
d. 상기 차량 온 보드에 일시적인 저장을 위해 치밀화된 CO2를 수용하는 저장 구역; 및
e. 상기 막 분리 구역으로부터 처리된 배기 가스 스트림 유출구와 유체 연통하는 배기 가스 도관을 포함하는 탄화수소-연료 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 CO2 함유 배기 가스 스트림의 온-보드 처리 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 구체 예에 있어서,
상기 시스템은 CO2의 분리를 위해 상기 막 모듈로 통과된 상기 배기 가스 스트림의 부피 양을 조절하기 위한 변환 밸브 (diverter valve)를 포함한다.
본 발명의 일 구체 예에 있어서,
상기 변환 밸브는 상기 ICE의 작동 조건에 기초하여 제어된다.
본 발명의 일 구체 예에 있어서,
상기 변환 밸브는 상기 CO2를 적어도 액화시키기 위한 상기 치밀화 구역에서의 상기 수단의 용량에 기초하여 제어된다.
본 발명의 일 구체 예에 있어서,
상기 시스템은 상기 제1 폐열 회수 구역 또는 상기 막 모듈을 통한 통과없이 상기 배기 가스 스트림의 전부 또는 일부를 대기로 방출하기 위한 제어 수단을 포함한다.
본 발명의 일 구체 예에 있어서,
상기 시스템은 상기 막 모듈에 진입하는 상기 배기 가스 스트림의 압력을 증가시키기 위한 터보차저를 포함한다.
본 발명의 일 구체 예에 있어서,
상기 시스템은 상기 막 모듈의 침투면과 유체 연통하는 CO2용 저압 유입구를 포함한다.
본 발명의 일 구체 예에 있어서,
상기 방법은 상기 막 모듈의 침투면으로부터 회수된 CO2의 일부를 상기 ICE로 통과시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 구체 예에 있어서,
상기 열 회수 장치에 의해 생산된 전기적 및/또는 기계적 에너지의 적어도 일부는 상기 차량 온 보드의 보조 전기적 및/또는 기계적 시스템의 동력을 공급하기 위해 사용된다.
본 발명의 일 구체 예에 있어서,
상기 막 모듈의 침투면으로부터 회수된 CO2의 일부는 차량 온 보드의 공기 조화 장치에서 냉매 가스로 활용된다.
본 발명의 일 구체 예에 있어서,
차량의 동력을 공급하기 위해 사용된 탄화수소-연료 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법으로서,
a. 상기 ICE로부터 차량 온-보드의 제1 열 교환 구역으로 뜨거운 배기 가스 스트림을 통과시키는 단계 및 열 교환을 위한 통과를 위해 상기 ICE로부터 상기 뜨거운 배기 가스 스트림을 수용하기 위한 유입구 및 낮은 온도에서 냉각된 배기 스트림을 방출하는 위한 방출 유출구를 구비하는 적어도 하나의 열 교환기와 고온 스트림에서 뜨거운 배기 가스를 접촉시키는 단계,
상기 제1 열 교환 구역은 상기 배기 가스 스트림의 온도를 감소시키기 위해 적어도 하나의 열 교환기로 열 교환을 위해 공기를 통과시키는 공기 스트림을 수용하기 위한 적어도 하나의 유입구를 더욱 포함하며;
b. 상기 제1 열 교환 구역의 상기 배기 가스 스트림 방출 유출구와 유체 연통하며, 처리된 배기 가스 스트림 유출구을 포함하고 상기 냉각된 배기 가스 스트림과 접촉하는 체류면 및 CO2 방출 유출구를 구비하고 CO2가 침투하는 침투면을 갖는 막을 구비하는 적어도 하나의 막 모듈과 접촉하는 막 분리 구역으로 상기 냉각된 배기 가스 스트림을 통과시키는 단계;
c. 상기 막 모듈의 침투면으로부터 치밀화 구역으로 상기 CO2를 통과시키는 단계 및 상기 CO2의 온도 및 부피를 감소시키는 단계;
d. 상기 치밀화된 CO2를 상기 차량 온 보드에 일시적 저장을 위해 저장 구역으로 이동시키는 단계; 및
e. 감소된 CO2 함량을 갖는 상기 처리된 배기 가스 스트림을 상기 막 모듈의 상기 처리된 배기 가스 스트림 유출구와 유체 연통하는 배기 가스 도관으로 통과시키는 단계 및 상기 처리된 스트림을 대기로 방출시키는 단계를 포함하는 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구체 예에 있어서,
상기 제1 열 교환 구역에서 상기 열 교환기를 통하여 주변 공기가 통과된다.
본 발명의 일 구체 예에 있어서,
상기 방법은 상기 제1 열 교환 구역에서 상기 열 교환기를 통하여 공기를 통과시키기 전에 주변 공기를 냉각시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 의해 얻어진 상기 목적 및 여러 장점은 배기 가스 스트림으로부터 CO2의 선택적 가스 침투에 의해 대기로 방출되는 CO2의 양을 감소시키기 위하여 차량에 동력으로 사용된 탄화수소-연료 내연 기관 (ICE)에 의해 배출된 CO2 함유 배기 스트림의 온-보드 처리에 대한 방법 및 시스템으로 넓게 이해된다. In one embodiment of the present invention,
CLAIMS What is claimed is: 1. A method of reducing the amount of CO 2 released into the atmosphere into an exhaust stream discharged by a hydrocarbon-fuel internal combustion engine (ICE) used to power a vehicle,
a. Passing the exhaust stream from the ICE to a first waste heat recovery area of a vehicle on-board and an inlet for receiving a hot exhaust gas stream from the ICE for passage for heat exchange, Contacting the hot exhaust stream with at least one heat exchanger having a discharge outlet for discharging the cooled exhaust stream in the heat exchanger,
The first waste heat recovery zone further comprising at least one heat recovery device for converting waste heat of the exhaust gas stream to electrical and / or mechanical energy;
b. The first containing communicates the exhaust stream discharge outlet of the waste heat recovery zone and the fluid, the treated exhaust stream yuchulgueul and a retention surface, and CO 2 emission outlet in contact with the cooled exhaust gas stream and penetrates the CO 2 Passing said cooled exhaust gas stream to a membrane separation zone in contact with at least one membrane module having a membrane having an impermeable surface;
c. Passing the CO 2 from a penetration surface of the membrane module into a densified zone and reducing the temperature and volume of the CO 2 ;
d. Moving the dense CO 2 to a storage area for temporary storage on the vehicle on-board; And
e. Passing the treated exhaust gas stream having a reduced CO 2 content to an exhaust gas conduit in fluid communication with the treated exhaust gas stream outlet of the membrane module and releasing the treated stream to the atmosphere There is provided a method for reducing the amount of CO 2 released into the atmosphere into an exhaust gas stream discharged by an internal combustion engine (ICE).
In one embodiment of the present invention,
The method operates substantially continuously after the start of the ICE of the vehicle.
In one embodiment of the present invention,
The method includes utilizing a portion of the thermal energy of the exhaust gas stream to produce a pressure differential across the membrane having the penetrating surface through which the CO 2 permeates.
In one embodiment of the present invention,
The method includes passing the exhaust stream through a turbocharger to increase the pressure of at least a portion of the exhaust stream.
In one embodiment of the present invention,
The method includes passing the exhaust stream through a second waste heat recovery zone downstream of the turbocharger to reduce the temperature of the exhaust gas stream prior to introduction into the membrane module.
In one embodiment of the present invention,
The CO 2 content of the exhaust stream is reduced by at least 10%.
In one embodiment of the present invention,
An on-board treatment system for a CO 2 -containing exhaust gas stream discharged by a hydrocarbon-fuel internal combustion engine (ICE) used to power a vehicle to reduce the amount of CO 2 released into the atmosphere,
a. On board for receiving the hot exhaust gas stream for heat exchange and for discharging the exhaust stream at a low temperature,
Said first waste heat recovery section comprising at least one heat exchanger having an inlet for receiving a hot exhaust gas stream from said ICE and a cooled exhaust gas stream exhaust outlet for passage for heat exchange,
The first waste heat recovery zone further comprises at least one heat recovery device operable with at least one heat exchanger for converting waste heat from the exhaust gas to electrical and / or mechanical energy;
b. A membrane module comprising a treated exhaust gas stream outlet and having a retentive surface contacted by the cooled exhaust gas stream and a penetration surface through which CO 2 permeates, the exhaust gas stream from the first waste heat recovery section A membrane separation zone in fluid communication with the membrane separation zone;
c. The membrane module for reducing the temperature and volume of the CO 2 to at least liquefying the CO 2 and comprising means for producing an exhaust gas stream treatment of reduced CO 2 content, receiving the impregnated CO 2 A densification zone in fluid communication with the infiltration side of the chamber;
d. A storage area for receiving dense CO 2 for temporary storage on the vehicle-on-board; And
e. On-board processing system of a CO 2 -containing exhaust gas stream discharged by a hydrocarbon-fuel internal combustion engine (ICE) comprising an exhaust gas conduit in fluid communication with an exhaust gas stream outlet from the membrane separation zone.
In one embodiment of the present invention,
The system includes a diverter valve for regulating the volume of the exhaust stream passed to the membrane module for the separation of CO 2 .
In one embodiment of the present invention,
The conversion valve is controlled based on operating conditions of the ICE.
In one embodiment of the present invention,
The conversion valve is controlled based on the capacity of the means in the densified zone for at least liquefying the CO 2 .
In one embodiment of the present invention,
The system includes control means for releasing all or a portion of the exhaust gas stream to the atmosphere without passing through the first waste heat recovery zone or the membrane module.
In one embodiment of the present invention,
The system includes a turbocharger for increasing the pressure of the exhaust stream entering the membrane module.
In one embodiment of the present invention,
The system includes a low pressure inlet for CO 2 in fluid communication with the infiltration surface of the membrane module.
In one embodiment of the present invention,
The method includes passing a portion of CO 2 recovered from the infiltration side of the membrane module to the ICE.
In one embodiment of the present invention,
At least a portion of the electrical and / or mechanical energy produced by the heat recovery apparatus is used to power the auxiliary electrical and / or mechanical system of the vehicle on board.
In one embodiment of the present invention,
A portion of the CO 2 recovered from the infiltration surface of the membrane module is utilized as the refrigerant gas in the air conditioner of the vehicle-on-board.
In one embodiment of the present invention,
CLAIMS What is claimed is: 1. A method of reducing the amount of CO 2 released into the atmosphere into an exhaust stream discharged by a hydrocarbon-fuel internal combustion engine (ICE) used to power a vehicle,
a. Passing an hot exhaust stream from the ICE to a first heat exchange zone of the vehicle on-board and an inlet for receiving the hot exhaust gas stream from the ICE for passage for heat exchange, Contacting the hot exhaust gas in the hot stream with at least one heat exchanger having a discharge outlet for discharging the stream,
The first heat exchange zone further comprises at least one inlet for receiving an air stream for passing air for heat exchange to at least one heat exchanger to reduce the temperature of the exhaust gas stream;
b. Wherein the first row and in the exchange zone in fluid communication with the exhaust stream discharge outlet, comprising treatment of exhaust gas streams yuchulgueul and a retention surface, and CO 2 emission outlet in contact with the cooled exhaust gas stream and that the CO 2 penetrate Passing said cooled exhaust gas stream to a membrane separation zone in contact with at least one membrane module having a membrane having an impermeable surface;
c. Passing the CO 2 from a penetration surface of the membrane module into a densified zone and reducing the temperature and volume of the CO 2 ;
d. Moving the dense CO 2 to a storage area for temporary storage on the vehicle on board; And
e. Passing the treated exhaust gas stream having a reduced CO 2 content to an exhaust gas conduit in fluid communication with the treated exhaust gas stream outlet of the membrane module and releasing the treated stream to the atmosphere There is provided a method for reducing the amount of CO 2 released into the atmosphere into an exhaust gas stream discharged by an internal combustion engine (ICE).
In one embodiment of the present invention,
Ambient air is passed through the heat exchanger in the first heat exchange zone.
In one embodiment of the present invention,
The method includes cooling ambient air prior to passing air through the heat exchanger in the first heat exchange zone.
The above and other objects and advantages attained by the present invention are achieved by providing a hydrocarbon-fueled internal combustion engine (ICE) which is powered by a vehicle to reduce the amount of CO 2 released into the atmosphere by selective gas infiltration of CO 2 from the exhaust stream Lt; RTI ID = 0.0 > CO-containing < / RTI >
상기 배기 가스 스크림으로부터 CO2의 막 분리를 위한 공정은 사용된 특정 타입의 막 모듈 (membrane module)에 대한 온도, 압력 및 유량의 사전결정된 최적 조건하에서 막의 체류면 (retentate side)과 배기 가스를 접촉하는 단계를 포함한다. 상기 CO2는 구동력 (driving force)하에서 상기 막을 침투하고, CO2가 수집되는 막의 침투면 (permeate side)으로 통과한다. The process for membrane separation of CO 2 from the exhaust gas scum is carried out by contacting the exhaust gas with the retentate side of the membrane under predetermined optimal conditions of temperature, pressure and flow rate for the particular type of membrane module used . The CO 2 permeates the membrane under a driving force and passes through the permeate side of the membrane from which CO 2 is collected.
실질적으로 순수한 CO2 가스는 상기 막의 침투면으로부터 회수되고, 상기 가스를 압축시키고, 액체 및/또는 고체 CO2를 형성하기 위한 치밀화 단계를 위해 압축기의 흡입구로 통과된다. 이후에, 상기 고밀도화된 CO2는 차량 연료 설비, 또는 다른 적절한 수납 스테이션 (receiving station)에서 제거될 수 있을 때까지 차량 온 보드 저장에서 보관된다. Substantially pure CO 2 gas is recovered from the permeate side of the membrane and is passed to the inlet of the compressor for the densification step to compress the gas and form liquid and / or solid CO 2 . Thereafter, the densified CO 2 is stored in the vehicle on-board storage until it can be removed from the vehicle fuel plant, or other appropriate receiving station.
상기 막을 가로지르는 압력차 (pressure differential)는 CO2가 상기 막을 침투하도록 구동력을 제공할 수 있다. 이것은 상기 침투면이 진공일 수 있거나 또는 상기 체류면에 높은 압력의 상기 배기 가스 스트림 피드일 수 있다. 예를 들어, 방향성 폴리아미드 중공 섬유와 같은 막 모듈은 상대적으로 높은 압력차에서 운전될 수 있다. CO2에 부가하여, H2O 및 H2S (만약 존재한다면)는 또한 이러한 타입의 막을 침투할 것이다. The pressure differential across the membrane may provide a driving force to allow CO 2 to penetrate the membrane. This may be the infiltration side of the vacuum or it may be the feed of the exhaust gas stream at a high pressure on the retention side. For example, membrane modules such as aromatic polyamide hollow fibers can be operated at relatively high pressure differentials. In addition to CO 2 , H 2 O and H 2 S (if present) will also penetrate this type of membrane.
압축은 에너지적 요구가 있기 때문에, 하나 이상의 다음 측정은 배기 가스 스트림으로부터 회수된 CO2를 고밀도화하기 위하여 요구된 압축 에너지를 감소시키는데 활용될 수 있다. Since compression has an energy demand, one or more of the following measurements can be utilized to reduce the compression energy required to densify the CO 2 recovered from the exhaust gas stream.
1. 상기 뜨거운 배기 가스 스트림은 터보차저 (turbocharger)에 도입될 수 있고, 이에 의해 가스를 가압하기 위한 이동 배기 가스 스트림의 약간의 운동 에너지 (kinetic energy)를 이용한다. 1. The hot exhaust gas stream may be introduced into a turbocharger, thereby utilizing some kinetic energy of the moving exhaust gas stream to pressurize the gas.
2. 열 에너지는 300℃ 내지 650℃ 범위의 온도에서 처음으로 배기 가스 스트림으로부터 회수될 수 있고, 상기 배기 가스를 압축하기 위해 사용되는 기계적 에너지 및/또는 전기적 에너지로 전환된다.2. The thermal energy can be recovered from the exhaust gas stream for the first time at a temperature in the range of 300 ° C to 650 ° C and is converted to mechanical energy and / or electrical energy used to compress the exhaust gas.
3. 상기 배기 가스 스트림의 사전결정된 부분은 압축되고 상기 막 모듈로 도입된다. 3. A predetermined portion of the exhaust stream is compressed and introduced into the membrane module.
본 발명의 시스템 및 장치의 주요 구성요소는 막 모듈, 진공 펌프, 터보차저, 및/또는 압축기, 열 회수 장치 및 치밀화를 위한 수단이다. 상기 막 모듈의 기능은 상기 배기 가스로부터 선택적으로 CO2를 분리하는 데 있다. 본 발명에서 사용하기 위한 적절한 막 모듈은 다음의 하나 이상의 조합으로부터 선택될 수 있다: The main components of the system and apparatus of the present invention are membrane modules, vacuum pumps, turbochargers, and / or compressors, heat recovery devices, and means for densification. The function of the membrane module is to selectively remove CO 2 from the exhaust gas. Suitable membrane modules for use in the present invention may be selected from one or more of the following combinations:
a. 중공 섬유 막 유닛 (hollow fiber membrane units);a. Hollow fiber membrane units;
b.나선형 (spiral wound) 막 모듈 유닛; 및b. spiral wound membrane module units; And
c. 평평한 시트 막. c. Flat sheet film.
상기 막은 다음 물질로 구성될 수 있다: The membrane can be composed of the following materials:
a. 셀룰로오즈, 아세테이트, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리설폰, 폴리카보네이트 및 폴리에테르이미드와 같은 물질을 포함하는, CO2를 선택적으로 침투시키는 비다공성 중합체; a. Non-porous polymers that selectively permeate CO 2 , including materials such as cellulose, acetate, polyimide, polyamide, polysulfone, polycarbonate, and polyetherimide;
b. 균질 막 (homogeneous membranes);b. Homogeneous membranes;
c. 다공성 담지 층 및 선택적 CO2 침투가능한 물질의 초박막 비다공성 층으로 형성된 복합물;c. A composite formed of an ultra-thin nonporous layer of a porous support layer and a selective CO 2 permeable material;
d. 액체가 CO2를 우선적으로 침투시키도록 선택된 액체 지지된 막;d. A liquid-supported membrane selected such that the liquid preferentially permeates CO 2 ;
e. 촉진 수송 막 (facilitate transport membranes); 및e. Facilitated transport membranes; And
f. 세라믹 막. f. Ceramic membrane.
가솔린 배기 스트림으로 사용하기 위한 현재 바람직한 막 물질은 중합체인데, 이는 상대적으로 비용이 저렴하고, 높은 침투성을 가지며, 선택을 위한 다양한 물질들이 있기 때문이다. 과량의 산소를 갖는 희박 연료 혼합물의 사용에 기인한 미연소 산소를 통상적으로 함유하는 디젤 배기로부터 CO2를 분리하기 위하여, 산소의 존재가 시간에 걸쳐 중합체를 분해할 수 있어, 바람직한 막 물질은 세라믹이고, 좀더 비싼 중합체는 산소 분해에 저항하도록 조성된다. The presently preferred membrane material for use as a gasoline exhaust stream is a polymer because it is relatively inexpensive, has high permeability, and there are a variety of materials for selection. The presence of oxygen can degrade the polymer over time to separate CO 2 from diesel exhaust typically containing unburned oxygen due to the use of lean fuel mixtures with excess oxygen, And the more expensive polymer is formulated to resist oxygen degradation.
선택적 구체 예에 있어서, 상기 막은 질소를 선택적으로 침투시키는 비다공성 중합체일 수 있다. 본 구체 예에 있어서, 상기 N2 침투는 대기로 방출되고, 상기 CO2 체류는 상술된 바와 같이 치밀화 및 저장에 적용된다. In alternative embodiments, the membrane may be a non-porous polymer that selectively permeates nitrogen. In this embodiment, the N 2 infiltration is released to the atmosphere, and the CO 2 Retention is applied to densification and storage as described above.
상기 막 모듈에 배기 가스의 유량은 배기 가스 유출구에서 검출된 CO2 농도의 수준, 특별히 실증적으로 결정된 운전 시간, 또는 상기 막 모듈의 용량의 전체 활용을 보장하기 위한 다른 수단에 기초하여 조정될 수 있다. 운전의 어떤 모드에 있어서, 상기 배기 가스의 압력, 온도, 및 유량의 조건은 상기 CO2의 침투를 최적화하기 위한 사전결정된 수준으로 유지되고, 어떤 과량의 배기 가스는 상기 막을 우회되고 미처리된 상태로 대기로 방출된다. The flow rate of the exhaust gas to the membrane module can be adjusted based on the level of CO 2 concentration detected at the exhaust gas outlet, particularly the empirically determined operating time, or other means for ensuring full utilization of the capacity of the membrane module. In some modes of operation, the conditions of the pressure, temperature, and flow rate of the exhaust gas are maintained at a predetermined level to optimize the infiltration of the CO 2 , and any excess exhaust gas is bypassed and untreated And released into the atmosphere.
본 발명의 방법 및 시스템은: The method and system of the present invention comprises:
a. 고온 배기 가스 스트림을 수용하기 위한 차량 온 보드의 제1 폐열 회수 구역, a. A first waste heat recovery zone of the vehicle on board for receiving the hot exhaust gas stream,
적어도 하나의 열 교환기는 열 교환을 위한 상기 ICE로부터 뜨거운 배기 가스 스트림을 수용하기 위한 유입구 및 낮은 온도에서 배기 스트림을 방출하기 위한 방출 유출구 (discharge outlet)를 구비하고, The at least one heat exchanger having an inlet for receiving a hot exhaust gas stream from the ICE for heat exchange and a discharge outlet for discharging the exhaust stream at a low temperature,
상기 열 회수 구역은 상기 배기 가스로부터의 폐열을 전기적 및/또는 기계적 에너지로 전환시키기 위한 적어도 하나의 열 회수 장치를 더욱 포함하며; The heat recovery zone further comprising at least one heat recovery device for converting waste heat from the exhaust gas to electrical and / or mechanical energy;
b. 처리된 배기 가스 스트림 유출구을 포함하고 냉각된 배기 가스 스트림에 의해 접촉된 체류면 및 CO2가 침투하는 침투면을 구비하는 막 모듈을 포함하며, 상기 폐열 회수 구역으로부터 상기 배기 가스 스트림 방출 유출구와 유체 연통하는 막 분리 구역 (membrane separation zone); b. A membrane module comprising a treated exhaust gas stream outlet and having a retentive surface contacted by the cooled exhaust gas stream and a penetration surface through which CO 2 permeates, wherein the membrane module is in fluid communication with the exhaust gas stream discharge outlet from the waste heat recovery section, A membrane separation zone;
c. 상기 CO2를 적어도 액화시키기 위해 상기 CO2의 온도 및 부피를 감소시키고, 감소된 CO2 함량의 처리된 배기 가스 스트림을 생산하기 위한 수단을 포함하며, 침투시킨 CO2를 수용하기 위한 상기 막 모듈의 침투면과 유체 연통하는 치밀화 구역; c. The membrane module for reducing the temperature and volume of the CO 2 to at least liquefying the CO 2 and comprising means for producing an exhaust gas stream treatment of reduced CO 2 content, receiving the impregnated CO 2 A densification zone in fluid communication with the infiltration side of the chamber;
d. 상기 차량 온 보드에 일시적인 저장을 위해 치밀화된 CO2를 수용하는 저장 구역; 및 d. A storage area for receiving dense CO 2 for temporary storage on the vehicle-on-board; And
e. 상기 막 모듈 구역으로부터 처리된 배기 가스 스트림 유출구와 유체 연통하는 배기 가스 도관을 포함한다. e. And an exhaust gas conduit in fluid communication with the treated exhaust gas stream outlet from the membrane module area.
어떤 구체 예에 있어서, 상기 막 모듈에 대한 CO2 침투 구동력은 상기 막과 접촉하기 전에 배기가스를 가압하여, 예를 들어, 압축기, 터보차저 또는 다른 알려진 수단을 사용에 의해 제공된다. 또 다른 구체 예에 있어서, 상기 막의 침투면과 유체 연통하는 진공 펌프는 저압 구역 및 상기 막을 가로지르는 대응 압력차를 생성한다. 또 다른 구체 예에 있어서, 증기와 같은 운반 유체 (carrier fluid)는 상기 막 모듈에 대해 허용되며, CO2를 멀리 운반하기 위해 상기 막의 침투면을 스윕 (sweeps)하고, 상기 막을 가로지르는 CO2 분압차를 유지하여, 이에 의해 침투면에 진공 또는 체류면에 압력에 대한 필요를 제거한다. 상기 스윕에 대한 증기는 뜨거운 배기 가스 스트림과 열 교환, 예를 들어, 소형 쉘 및 튜브 증기 보일러에 물을 통과, 및 상기 막 모듈의 침투면에 증기를 전도하여 제공될 수 있다. 상기 모듈로부터 방출된 CO2 및 증기/물은 냉각기/분리막으로 통과되고, 상기 CO2는 치밀화를 위해 회수되고; 상기 물은 대기로 방출 또는 증기-발생 열 교환기로 재순환될 수 있다. 본 구체 예에서 사용된 물은 상기 배기 가스 냉각 및 CO2 포획 공정의 일부로 배기 가스 스트림으로부터 추출될 수 있거나 또는 개별 저장조 (separate reservoir)로부터 얻을 수 있다. 전술된 구동력의 조합은 또한 사용될 수 있다. In some embodiments, the CO 2 infiltration drive force for the membrane module is provided by pressurizing the exhaust gas prior to contacting the membrane, for example, by using a compressor, turbocharger or other known means. In another embodiment, a vacuum pump in fluid communication with the penetrating surface of the membrane produces a low pressure zone and a corresponding pressure differential across the membrane. In another embodiment, a carrier fluid such as vapor is allowed for the membrane module, sweeps the penetration surface of the membrane to transport CO 2 away, and the CO 2 partial pressure across the membrane Thus maintaining the car, thereby eliminating the need for vacuum on the infiltration surface or pressure on the retention side. The steam for the sweep may be provided by heat exchange with the hot exhaust gas stream, for example, passing water through a small shell and tube steam boiler, and conducting steam to the infiltration side of the membrane module. CO 2 and steam / water emitted from the modules is passed to the cooler / separator, wherein the CO 2 is recovered to the densification; The water can be recirculated to the atmosphere or to the steam-generating heat exchanger. The water used in this embodiment can be extracted from the exhaust gas stream as part of the exhaust gas cooling and CO 2 capture process or can be obtained from a separate reservoir. Combinations of the above-described driving forces can also be used.
본 발명은 상기 엔진 배기 가스로부터 실질적으로 순수한 CO2의 분리를 위한 방법 및 시스템을 제공하며, 나중에 차량 온-보드에 고밀도화된 CO2의 치밀화 및 일시적 저장은 알려진 상업적 및 산업적 용도의 어떤 광범위한 다양성에 사용을 수반한다. 상기 분리 및 치밀화 단계에 대한 에너지 요구의 전부 또는 일부는 엔진의 폐열로부터 유도되고, 이것은 배기 가스 스트림, 엔진의 냉각 시스템, 및 엔진 블럭 및 관련 금속 구성성분을 포함할 수 있다. 본 발명의 환경적 장점은 분명하다. The present invention provides a method and system for the separation of substantially pure CO 2 from the engine exhaust gas, wherein densification and temporary storage of densified CO 2 in the vehicle onboard later on to a wide variety of known commercial and industrial uses . All or a portion of the energy requirements for the separation and densification steps are derived from the waste heat of the engine, which may include the exhaust gas stream, the cooling system of the engine, and engine blocks and associated metal components. The environmental advantages of the present invention are evident.
본 발명의 방법 및 시스템은 차량에 동력으로 사용된 탄화수소 연료의 연소에 의해 발생된 폐열을 사용하는 선택적 가스 침투, 치밀화 및 일시적 온-보드 저장에 의한 효과적인 후-연소 CO2 분리를 위한 다양한 구성요소를 통합한다. 전술된 바와 같고, 도 1의 블럭도를 참조하면, 통상적인 내연 기관이 생산하는 총 폐열은 통상적인 탄화수소 (HC) 연료를 제공하는 에너지의 약 60%이다. 이러한 에너지는 뜨거운 배기 가스 (~300-650℃) 및 뜨거운 냉각수 (coolant) (~90-120℃)에 주로 함유된다. The method and system of the present invention can be applied to various components for efficient post-combustion CO 2 separation by selective gas infiltration, densification and temporary on-board storage using waste heat generated by combustion of hydrocarbon fuel used as a vehicle power source Lt; / RTI > As described above, and referring to the block diagram of FIG. 1, the total waste heat produced by a typical internal combustion engine is about 60% of the energy providing conventional hydrocarbon (HC) fuel. This energy is mainly contained in hot exhaust gas (~ 300-650 ° C) and hot coolant (~ 90-120 ° C).
에너지는 상기 배기 가스로부터 CO2를 분리하고, 효과적인 온-보드 저장을 위한 막 모듈로부터 회수된 CO2의 전부 또는 일부를 압축 및 액화 또는 냉동시키는 필요하다. 상기 에너지의 일 구성요소는 이러한 일을 생산하기 위해 폐열의 일부를 사용하여 발생된다. Energy is required to separate CO 2 from the exhaust gas and to compress and liquefy or freeze all or a portion of the CO 2 recovered from the membrane module for effective on-board storage. One component of this energy is generated using a portion of the waste heat to produce this work.
CO2 치밀화 사이클의 시작 동안에, 또는 특별한 필요를 위해, 엔진 동력의 일부, 또는 배터리 온-보드에 저장된 전기는 일/에너지 요구조건의 전부 또는 일부를 제공하는데 사용될 수 있다. 정상적인 운전 동안, 분리 및 치밀화에 대해 요구된 에너지의 적어도 일부는 상기 폐열로부터 올 것이다. During the beginning of the CO 2 densification cycle, or for special needs, some of the engine power, or electricity stored on the battery on-board, can be used to provide all or part of the work / energy requirements. During normal operation, at least a portion of the energy required for separation and densification will come from the waste heat.
상기 배기 가스로부터 CO2 분리는 가스성 질소 및 다른 연소 생산물로부터 가스성 CO2의 막 분리에 의해 영향을 받는다, 효과적인 일시적 온-보드 저장에 대한 CO2의 치밀화는, 예를 들어, 5-1600 ㎏/㎥의 범위의 최종 밀도를 갖는, 드라이 아이스를 형성하기 위해, 가스의 압축, 액화 및/또는 냉동에 의해 달성된다. CO 2 separation from the exhaust is effected by membrane separation of gaseous CO 2 from gaseous nitrogen and other combustion products. Densification of CO 2 for effective temporary on-board storage can be achieved, for example, Liquefaction and / or freezing of the gas to form a dry ice having a final density in the range of 1 kg / m < 3 >.
주변 온도에서, CO2는 액체로서 존재할 수 있다. CO2의 임계점은 31℃ 및 73 bar이다. 상기 고체 드라이 아이스를 형성하기 위한 액체의 어는점은 - 78℃이다. 따라서, 냉동은 더 높은 온도 감소를 요구하지만, 밀도는 약 1.4 내지 1.6 g/㎤로 높고, 이에 의한 공간의 감소는 적절한 수용 설비에 재급유 및/또는 전달까지 온-보드에 CO2를 저장하는데 요구된다. At ambient temperature, CO 2 may be present as a liquid. The critical point of CO 2 is 31 ° C and 73 bar. The freezing point of the liquid for forming the solid dry ice is -78 ° C. Thus, although refrigeration requires higher temperature reduction, the density is as high as about 1.4 to 1.6 g / cm < 3 >, thereby reducing the space required to store CO 2 onboard until refueling and / do.
현재 바람직한 운전 조건은 약 50℃ 내지 200℃의 온도 범위에 있다. 상기 압력 구배는 막 및/또는 막 모듈 또는 시스템의 타입에 따라 변할 수 있다. 부과된 압력 구배는 차량의 연속 운전의 연장된 기간에 대해 최대 CO2 흐름을 유지할 것이다. 이러한 운전 조건은 막 물질의 광범위한 선택을 허용하고, 상기 CO2를 분리 및 치밀화하는데 요구되는 일 및/또는 전기 에너지로 상기 배기 가스 스트림으로부터 회수될 열 에너지를 전환시킬 수 있으며, 이동 오염원 온 보드에 설치 및 운전을 실행하는 크기 및 질량의 열 교환 기기의 사용을 허용한다. Currently preferred operating conditions are in the temperature range of about 50 ° C to 200 ° C. The pressure gradient may vary depending on the type of membrane and / or membrane module or system. The imposed pressure gradient will maintain maximum CO 2 flow over an extended period of continuous operation of the vehicle. This operating condition allows a wide selection of membrane materials and can convert the heat energy recovered from the exhaust gas stream with the work and / or electrical energy required to separate and densify the CO 2 , Permits the use of size and mass heat exchange equipment to perform installation and operation.
이러한 상 변화를 위한 효과적인 방법은 기술분야에서 잘 알려져 있다. 액화 및/또는 고체화된 CO2의 보관 및 치밀화 단계에 대해 요구된 일 에너지의 일부 또는 전부는 시스템 및 운전 환경의 특별한 요구조건을 기초하여 선택된 열의 동력 전환 기기를 사용에 의해 대기로 보통의 열 손실로부터 유도된다. 내부 냉각은 고온의 배기 가스와 열 교환에 의해 상대적으로 쉽게 달성될 수 있다. 이동 오염원 온 보드에 이용가능한 제한된 부피에 사용하기 위한 특별히 상업적으로 이용가능한 장치의 선택은 기술분야에서 당업자의 능력 내에서 다양한 연관된 요인의 분석을 요구한다. Effective methods for such phase changes are well known in the art. Some or all of the work energy required for the storage and densification stages of liquefied and / or solidified CO 2 may be reduced to normal heat loss to the atmosphere by use of a power conversion device of the heat selected based on the particular requirements of the system and operating environment / RTI > Internal cooling can be relatively easily accomplished by heat exchange with hot exhaust gases. The choice of a particularly commercially available device for use in a limited volume available on a mobile source-on-board requires analysis of a variety of related factors within the skill of the art.
냉장을 위한 에너지 요구는 하기에 기술된 공정으로부터 유도될 수 있다. Energy requirements for refrigeration can be derived from the process described below.
1. 압축 냉장 사이클에서 압축을 위해 필요한 기계적 에너지는 폐열을 전기 또는 기계적 일로 전환시키는 열 회수 (HR) 유닛으로부터 얻어진다. 부가적으로, 약간의 기계적 에너지는 대기로 방출되는 낮은-CO2 배기 가스를 팽창시켜 회수된다. 1. The mechanical energy required for compression in a compression refrigeration cycle is obtained from a heat recovery (HR) unit that converts waste heat into electrical or mechanical work. Additionally, some mechanical energy is recovered by expanding the low-CO 2 exhaust gas that is released into the atmosphere.
2. 상기 폐열은 흡착 냉장 사이클에 직접적으로 공급되고, 이런 사이클은 이동 부분을 갖지 않고, 따라서 엔진의 동력 트레인 (train)으로부터 어떤 일을 소비하지 않는다. 2. The waste heat is fed directly to the adsorption refrigeration cycle, which cycle has no moving parts and thus does not consume any work from the engine's power train.
3. 고속 팽창을 위한 아음속 (subsonic) 또는 초음속 노즐의 사용 및 상기 침투 가스의 냉각은 수집 및 일시적 온-보드 저장을 위한 액체 또는 가스 형태에서 상기 CO2의 침전을 결과할 것이다. 3. The use of subsonic or supersonic nozzles for fast expansion and cooling of the penetrating gas will result in precipitation of the CO 2 in liquid or gaseous form for collection and temporary on-board storage.
부분적 압축은 터보차저 (turbocharger)를 통해 배기 가스를 통과시켜 달성될 수 있고, 따라서 상기 배기 가스 스트림의 약간의 유동 에너지를 회수한다. Partial compression can be achieved by passing the exhaust gas through a turbocharger and thus recovers some of the flow energy of the exhaust stream.
본 발명은 재급유시 또는 다른 적절한 설비에서 회수될 수 있을 때까지 일시적 저장을 위해 배기 가스 스트림에서 상기 CO2의 적어도 일부를 고밀도화 및 분리시키고 이에 의해 부피를 상당히 감소시키기 위해, 이용가능한 온 보드 차량의 폐열로서 차량 온 보드에 이용가능한 자유 에너지를 사용하여 공간 제한 및 보조 동력 요구의 문제점을 해결한다. 본 발명은 (a) 엔진 배기 가스 스트림의 적어도 일 부분으로부터 상기 CO2의 전부 또는 실질적인 부분을 제거하기 위해 냉각 및 막 분리 방법; (b) 약간의 엔진 폐열을 사용하는 실질적으로 순수 CO2 회수; (c) 약간의 엔진의 폐열이 전기적 및/또는 기계적 동력, 즉, 일 에너지로의 전환; 및 (d) 분리를 위해 막을 가로지르는 압력차를 생성하기 위한 동력의 사용 및 일시적 온-보드 저장을 위해 CO2의 밀도를 더욱 증가시키는 동력의 이용을 포함한다. 분리 및 치밀화를 위한 에너지를 제공하는데 상기 폐열의 사용은 배기 스트림에서 연소 생성물로부터 CO2의 분리 공정을 단순하게 하고, 비용을 상당하게 감소시키며, 상기 치밀화는 CO2의 일시적 온-보드 저장을 위한 부피 요구를 감소시킨다. The present invention relates to a method and system for the use of available on-board vehicles in order to densify and separate at least a portion of the CO 2 in the exhaust gas stream for temporary storage during refueling or until it can be recovered from other suitable plants, The free energy available on the vehicle onboard as waste heat is used to solve the problem of space limitations and the need for auxiliary power. (A) a cooling and membrane separation method for removing all or a substantial portion of said CO 2 from at least a portion of an engine exhaust stream; (b) substantially pure CO 2 recovery using a small amount of engine waste heat; (c) the waste heat of some engines is converted to electrical and / or mechanical power, i.e., one energy; And (d) the use of power to create a pressure differential across the membrane for separation and the use of power to further increase the density of CO 2 for temporary on-board storage. The use of the waste heat to provide energy for separation and densification simplifies the process of separating CO 2 from the combustion products in the exhaust stream and considerably reduces the cost and the densification is used for temporary on-board storage of CO 2 Thereby reducing volume requirements.
본 발명은 하나 이상의 압축기를 운전하기 위한 상기 엔진 일의 일부분의 선택적 사용을 더욱 포함한다. 상기 엔진의 일은 상기 엔진이 감속 모드에서 운전되는 경우 활용될 수 있고, 상기 엔진이 공회전하는 경우, 엔진을 느리게 하기 위해 제공될 것이다. 온-보드 프로세서 및 제어기는 적절히 사전결정된 엔진 운전 조건에서 상기 엔진에 압축기 구동 링크를 연결시키는데 활용될 수 있다. The present invention further includes selective use of a portion of the engine work for operating one or more compressors. The work of the engine can be utilized when the engine is operated in the deceleration mode, and will be provided for slowing the engine when the engine idles. The on-board processor and controller can be utilized to properly connect the compressor drive link to the engine at predetermined engine operating conditions.
본 발명은 화석-계, 또는 탄화수소 연료의 연소를 통해 운전되는 승용차, 트럭, 버스, 중장비 차량, 기차, 배, 비행기 등과 같은 광범위한 범위의 이동 오염원에 사용될 수 있다. 본 발명의 시스템 및 장치는 새로운 이동 오염원 및/또는 현존하는 이동 오염원을 개량하여 설치될 수 있다.The present invention can be used in a wide range of mobile pollutants such as passenger cars, trucks, buses, heavy vehicles, trains, boats, airplanes, etc., driven through the combustion of fossil-based or hydrocarbon fuels. The system and apparatus of the present invention can be retrofitted with new mobile sources and / or existing mobile sources.
본 발명은 차량의 ICE로부터 회수된 폐열을 사용하여 수송기관 온 보드에서의 대부분의 다른 배기 가스로부터 효율적인 후-연소 CO2 분리, 이의 치밀화 및 이어지는 일시적 저장을 위한 시스템을 형성하는 다양한 구성요소의 통합에 기초한다. The present invention then uses the recovered waste heat from the vehicle ICE efficient from most of the other exhaust gas in the transport-board-integration of the various components forming the system for combustion CO 2 separation, the temporary storage thereof, the densification and the following .
상기 시스템은 (a) 폐열 및 관련된 에너지의 일부를 회수하고, 이에 의해 엔진의 배기 가스 스트림에서 다른 구성성분 및 CO2의 온도를 감소시키기 위한 제1 열 교환 구역; (b) 차별 압력을 생성하기 위해 약간의 엔진 폐열을 사용하는 상기 배기 가스 스트림으로부터 CO2의 분리를 위한 막 분리 구역; (c) 약간의 폐열이 전기 및/또는 기계 동력 (일 에너지)으로 전환되는 에너지 전환 구역; (d)상기 폐열로부터 유도된 동력이 상기 CO2의 밀도를 증가시키기 위해 사용되는 치밀화 구역; 및 (e) 선택적으로, 액체 또는 고체의 형태로 치밀화된 CO2의 일시적 온-보드 저장을 위한 절연된 냉각 저장 구역을 포함할 수 있다. 분리 저장 영역은 고체 CO2가 가스 형태로 승화되기 때문에 요구될 것이다. 본 발명 방법의 실시에 있어서, 상기 시스템을 운전하기 위한 전부 또는 실질적으로 부분의 에너지 요구조건은 엔진의 폐열로부터 유래한다. The system comprises: (a) a first heat exchange zone for withdrawing a portion of waste heat and associated energy, thereby reducing the temperature of the other components and CO 2 in the exhaust stream of the engine; (b) a membrane separation zone for the separation of CO 2 from the exhaust stream using some engine waste heat to produce a differential pressure; (c) an energy conversion zone where some waste heat is converted to electrical and / or mechanical power (one energy); (d) a densification zone in which power derived from the waste heat is used to increase the density of the CO 2 ; And (e) optionally, an insulated cooling storage area for temporary on-board storage of CO 2 densified in the form of a liquid or solid. Separate storage areas will be required because solid CO 2 sublimates into gaseous form. In the practice of the method of the present invention, the energy requirements of all or substantially all of the parts for operating the system are derived from the waste heat of the engine.
상기 CO2 포획 사이클의 시동 동안에, 또는 여러 특별한 운전 요건의 요구조건을 만족시키기 위하여, 엔진의 동력의 일부 또는, 선택적으로, 온 보드 배터리에 저장된 전기가 사용될 수 있다. 상기 시스템의 정상적인 안정된-상태 운전 동안에, CO2 포획 및 치밀화에 요구된 에너지의 적어도 일부는 ICE의 폐열로부터 나올 것이다. During start-up of the CO 2 capture cycle, or in order to meet the requirements of various special operating requirements, some of the power of the engine or, alternatively, electricity stored in the on-board battery may be used. During normal steady-state operation of the system, CO 2 At least some of the energy required for capture and densification will come from the waste heat of the ICE.
고정된 발생원으로부터의 CO2 배출을 감소시키기 위한 종래 기술 공정을 넘는 본 발명의 하나의 장점은 적당한 온도 폐열에 대해 상대적으로 높은 용이한 이용가능성이다. 상기 열 에너지의 비용은, 석탄- 또는 가스-발화된 발전 설비로부터의 연료 가스의 온도가 상기 연료의 에너지 값을 최대화하고, 주변 환경으로의 폐열의 SOx과 같은 공해물질의 방출을 또한 최소화하기 위하여 감소되기 때문에, 고정된 발생원으로부터의 CO2 포획을 위한 지출이 주요 항목이다.
CO 2 from fixed sources One advantage of the present invention over prior art processes for reducing emissions is the relatively high availability for moderate temperature waste heat. The cost of the thermal energy is such that the temperature of the fuel gas from the coal- or gas-fired power plant maximizes the energy value of the fuel and also minimizes the emission of pollutants such as SO x of the waste heat to the surrounding environment , The expenditure for capturing CO 2 from fixed sources is a major item.
본 발명은 폐열을 생산하는 내연기관 및 여러 열 기관에 의해 동력이 공급되는 차량의 배기 가스 스트림으로부터 이산화탄소 배출을 경제적으로 감소시킬 수 있다.
The present invention can economically reduce carbon dioxide emissions from the exhaust gas stream of an internal combustion engine producing waste heat and a vehicle powered by several heat engines.
이하 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 좀더 구체적으로 설명하며, 첨부된 도면에서 동일하거나 유사한 요소는 동일한 참조번호에 의해 표시된다:
도 1은 종래의 기술에서 결정된 바와 같은 전형적인 내연 기관에 의한 탄화수소 연료 에너지를 열 및 동력으로의 전환을 개략적으로 나타낸 도면이고;
도 2는 본 발명의 방법과 도 1을 통합하여 개략적으로 도시한 도면이며;
도 3은 CO2 침투를 향상시키기 위하여 상기 막의 압력 감소 다운스트림을 활용하는 본 발명의 구체 예를 개략적으로 도시한 도면이고;
도 4는 침투를 향상시키기 위해 막의 증가된 압력 업스트림을 활용하는 본 발명의 구체 예의 개략적인 도면이며;
도 5는 액체 흡수제를 활용하는 본 발명의 구체 예의 개략적인 도면이다:BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be described more fully hereinafter with reference to the accompanying drawings, in which like or similar elements are denoted by the same reference numerals:
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagrammatic representation of the conversion of hydrocarbon fuel energy into heat and power by a typical internal combustion engine as determined in the prior art; FIG.
Figure 2 is a schematic view of the method of the present invention, integrated with Figure 1;
Figure 3 schematically illustrates an embodiment of the present invention utilizing pressure reducing downstream of the membrane to enhance CO 2 penetration;
4 is a schematic illustration of an embodiment of the present invention utilizing an increased pressure upstream of the membrane to enhance penetration;
Figure 5 is a schematic illustration of an embodiment of the present invention utilizing a liquid absorbent;
기준 (Reference)은 배기 가스 스트림으로부터 CO2의 선택적 가스 침투 및 분리를 위한 본 발명의 직접 치밀화 방법의 개요를 제공하는 도 2의 개략적인 도시에 대해 만들어지며, 여기서 연료의 연소로부터의 폐열 에너지는 분리 및 치밀화에 영향을 미치는 다른 에너지 형태로 전환된다. Reference is made to the schematic illustration of FIG. 2, which provides an overview of the direct densification method of the present invention for selective gas infiltration and separation of CO 2 from the exhaust gas stream, wherein the waste heat energy from the combustion of the fuel is Are converted to other forms of energy affecting separation and densification.
본 발명의 여러 가지 대표적인 구체 예는 도 3, 4 및 5에 나타낸다. 진공-구동 공정 (vacuum-driven process)을 나타내는, 도 3을 참조하면, 뜨거운 배기 가스 스트림 (20)은 약간의 폐열을 "E"로 표시된 전기적 또는 기계적 에너지로 전환시키기 위해 300℃ 내지 650℃의 온도에서 운전되는 제1 열 회수 (HR) 유닛 (30)을 통과한다. Various representative embodiments of the present invention are shown in Figs. 3, 4 and 5. Referring to FIG. 3, which illustrates a vacuum-driven process, the hot
상기 냉각된 배기 가스 스트림 (22)은 그 다음 하나 이상의 막 (42)을 함유하는 막 모듈 (40)에 도입된다. 상기 막 (42)의 침투면은 진공 펌프 (46)에 의해 생성된 부분 진공 때문에 상대적으로 더 낮은 압력에 있다. 상기 막 (42)를 가로지르는 압력차는 CO2 흐름, 또는 상기 침투면에 막을 통한 유동을 향상시키기 위해 필요한 구동력을 제공한다. 상기 CO2 가스 스트림 (44) 및 어떤 수증기 및/또는 다른 침투 가스는 치밀화 단계에 통과하기 전에 가스의 온도를 더욱 감소시키는 HR 유닛 (32)을 통과한다. 상기 수증기는 응축되고, 상기 CO2의 냉각 동안 제거된다. 만약 존재한다면, 다른 가스, 예를 들어, NOx, SOx 및 탄화수소 증기는 어떤 다양한 알려진 처리 (도시되지 않음)에 의해 제거될 수 있다. 압축, 액화 및/또는 고체 CO2는 일시적 온-보드 저장에서 보관된다. 체류 가스 (52)는 선택적으로 HR (34)을 통과되고 대기로 방출된다. The cooled
도 4는 압축-구동 공정을 나타낸다. 상기 뜨거운 배기 가스 스트림은 약간의 폐열을 전기적 또는 기계적 에너지 "E"로 전환하기 위해 300℃ 내지 650℃의 온도로 운전되는 제1 열 회수 유닛 HR (30)을 통과한다. 더 차가운 배기 가스 스트림 (22)은 이의 압력을 증가시키고, 또한 배기 가스 스트림을 분할하기 위해 터보차저 (100)를 통과시켜, 일부 (24)가 CO2 막 분리 및 포획에 적용되고, 나머지 (27)은 대기로 방출된다. 이러한 부피 분리 (split)는 CO2 포획 및 치밀화를 위해 이용가능한 조합된 에너지와 관련하여 배기 가스 스트림 (22) 유량에 기초할 수 있다. 만약 터보차저 (100)가 최적 조건에서 막 모듈을 구동하기 위해 충분한 압력을 생산하지 못한다면, 분획적 배기 가스 스트림 (24)은 선택적 압축기 (102)에 의해 더욱 가압될 수 있다. 4 shows a compression-drive process. The hot exhaust gas stream passes through a first heat
가압된 배기 가스 (24)는 그 다음 상기 막 모듈 (40)로 도입된다. 상기 막 (42)의 침투면은 치밀화 유닛의 팬/압축기의 흡입 측에 의해 생성된 상대적으로 더 낮은 압력이 있다. 압력차는 침투면에 막 (42)을 통과하기 위해 CO2를 유발하는 구동력을 제공한다. 상기 CO2 및 어떤 수증기 및/또는 다른 침투 가스는 치밀화 단계로 통과된다. 압축, 액화 및/또는 고체 CO2는 일시적 온-보드 저장에서 보관된다. 체류 가스 (52)는 HR 유닛 (34)를 선택적으로 통과하고, 대기로 방출된다. The
도 3 및 4의 공정의 전술된 내용으로부터, 배기 가스 스트림 (20)은 또한 일부가 막 모듈 (40)에서 효과적인 CO2 제거에 적용되고, 나머지 (27)는 대기로 직접 방출되도록, 이의 압력을 부분적으로 증가시키고, 배기 가스 스트림을 분할하기 위해 선택적으로 터보차저에 도입될 것이다. 이러한 부피 분할은 CO2 포획 및 치밀화를 위해 이용가능한 에너지에 관련하여 배기 가스 스트림 유량을 기초로 할 수 있다. 3 and 4, the
만약 선택적 터보차저가 사용중이라면, 막 모듈에 들어오는 배기 가스 스트림의 압력은 증가될 것이고, 이에 의해 진공 펌프 (46)에 의해 생성된 다른 압력을 증가시킨다. If a selective turbocharger is in use, the pressure of the exhaust gas stream entering the membrane module will be increased, thereby increasing the other pressure created by the
도 5에서 개략적으로 설명된 시스템 및 장치를 참고하여, 소위 하이브리드 방법 (hybrid method)이 기술될 것이다. 상기 뜨거운 배기 가스 스트림 (20)은 변형된 터보차저 (100)에 의해 선택적으로 가압되고, 상기 액체 흡수제로부터 CO2를 방출하는 목적을 위해 CO2 회수 구역 (130)에서 CO2-풍부 액체 흡수제와 관련된 열 교환으로 통과된다. 더 차갑게 가압된 CO2-풍부 배기 가스 스트림 (26)은 막 분리 모듈 (140)의 체류면으로 통과되고, 상기 CO2는 막 (142)을 침투하며, 냉각된 액체 흡수제 (144)에 의해 흡수된다. 상기 CO2-희박 엔진 배기 스트림 (50)은, 상기 체류가 막 분리 모듈 (140)으로부터 통과되고, 대기로 CO2-희박 배기 가스 스트림 (52)으로 방출되기 전에 열 교환기 (150)에서 CO2-희박 흡수제와 관련된 열 교환으로 선택적으로 통과된다. 선택적으로, 상기 흡수제는 이의 온도를 감소시키기 위해 주변 공기 냉각기 또는 열 회수 유닛 (30)으로 통과될 수 있다. With reference to the system and apparatus outlined in Figure 5, a so-called hybrid method will be described. The hot
전술된 바와 같은 유닛 (30)에서 열 교환에 의해 흡수제로부터 흡수된 CO2 스트림 (44)은 압축기 (49)에 의해 압축되고, 이동 오염원으로부터 제거될 때까지 일시적 저장을 위해 압력 용기 (80)에 축적된다. 가열된 CO2-희박 액체 흡수제 (146)는 막 분리 모듈 (140)에 되돌아오기 전에, 상술한 바와 같이, 냉각기 (150)에서 주변 공기, 열 회수 유닛 또는 CO2-희박 엔진 배기 스트림과 관련하여 열 교환으로 펌프 (148)에 의해 순환된다. The CO 2 stream 44 absorbed from the absorbent by heat exchange in the
HR 기기의 크기 또는 용량, 위치 및 운전 조건은, 예를 들어, 엔진 배기 가스 스트림으로부터의 폐열의 유용성에 기초하여 결정된다. 이것은 배기 가스 스트림 또는 엔진 냉각수이든지 간에, 폐열 스트림의 온도 및 부피 유량 모두를 포함할 수 있다. 단일 또는 하나 이상 타입의 열 회수 장치는 폐열 스트림의 특성 및 이의 온도 및 유동 조건에 의존하여 사용될 수 있다. HR 장치의 선택 및 등급은 기술 분야의 당업자의 능력에 기초한다. The size or capacity, location and operating conditions of the HR device are determined based on, for example, the availability of waste heat from the engine exhaust gas stream. This may include both the temperature and the volume flow rate of the waste heat stream, whether it be an exhaust gas stream or an engine cooling water. Single or more than one type of heat recovery apparatus can be used depending on the characteristics of the waste heat stream and its temperature and flow conditions. The choice and rating of the HR device is based on the skill of those skilled in the art.
상기 열/에너지 회수 시스템의 운전은 유량-조절 밸브와 연통되어 제어되며, 온도 및 유량 센서로부터 데이터를 받는 제어기 및 미리-프로그램된 프로세서에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 액체 흡수제가 상기 막의 침투면에 사용된, 도 5에 연관되어 기술된 구체 예에 있어서, 상기 엔진 배기 가스 스트림의 온도는 CO2가 탈착하도록 충분한 온도로 상승시키기 위해 액체 흡수제 물질과 관련된 열 교환으로 이를 통과하여 감소될 수 있다. 더 낮은 온도를 갖는 더 차가운 배기 가스 스트림은 그 다음 전기를 생산하기 위해 열전 소자 (도시되지 않음)를 갖는 선택적으로 더욱 열 교환할 수 있다. 최종적으로, 상대적으로 더 낮은 온도의 배기 가스는 막 분리 모듈로 도입될 수 있고, 여기서 상기 CO2가 막을 침투하고, 액체 흡수제에 의해 흡수된다. The operation of the heat / energy recovery system may be controlled by communicating with a flow-regulating valve and controlled by a controller and a pre-programmed processor receiving data from the temperature and flow rate sensors. For example, the liquid absorbent is in the, for example, concrete road is associated with the five techniques used in the membrane permeation side, the engine temperature of the exhaust gas stream is a liquid absorbent to rise to a sufficient temperature of CO 2 to desorb material and Can be reduced by passing it through associated heat exchange. The colder exhaust stream having a lower temperature can then optionally be further heat exchanged with a thermoelectric element (not shown) to produce electricity. Finally, a relatively lower temperature exhaust gas can be introduced into the membrane separation module, where the CO 2 permeates the membrane and is absorbed by the liquid absorbent.
가솔린 또는 디젠 연료 ICE로부터 배기 가스 스트림은 약 13% 수증기를 함유한다. 상기 수증기는 치밀화 공정의 초기 단계 동안 액체를 형성하기 위해 응축될 것이고, 기술 분야에서 잘 알려진 방법 및 장치에 의해 상기 공정으로부터 제거될 수 있다. 물은 액체 형태에서 대기로 방출될 수 있거나, 또는 단독 또는 처리된 낮은 CO2-함량 배기 가스 스트림으로 방출하기 위해 증기 형태로 전환하기 위해 뜨거운 표면과 접촉시켜 통과한다. 물은 액체 형태로 대기에 방출될 수 있거나, 또는 증기 형태로 전환하기 위해 뜨거운 표면과 접촉하여 통과되고, 부가적인 동력을 위한 작은 스팀 터빈을 작동하는데 사용된다. 여하튼, 실질적으로 상기 수증기의 전부는 질소 및 어떤 나머지 CO2와 함께 대기로 방출될 것이다.The exhaust stream from gasoline or diesel fuel ICE contains about 13% water vapor. The water vapor will condense to form a liquid during the early stages of the densification process and may be removed from the process by methods and apparatus well known in the art. Water can be released into the atmosphere in liquid form or passed alone or in contact with hot surfaces to convert to vapor form for release into a low CO 2 -containing exhaust gas stream. Water can be released to the atmosphere in liquid form or passed in contact with hot surfaces to convert to vapor form and used to operate small steam turbines for additional power. In any case, substantially all of the water vapor will be released to the atmosphere with nitrogen and some remaining CO 2 .
상기 CO2는 막 및/또는 치밀화 공정에 역효과를 일으킬 수 있는 오염 물질을 감소시키기 위해 구비된 차량의 촉매 변환기의 배기 가스 스트림 다운스트림으로부터 제거되는 것이 바람직하다. 부가적으로, 상기 엔진이 시동시 차가운 경우, 상기 촉매 변환기의 배기 가스 다운스트림은 상기 변환기에서 발생하는 발열 반응 때문에 업스트림보다 더 뜨거울 수 있다. The CO 2 is preferably removed from the exhaust gas stream downstream of the catalytic converter of the vehicle provided to reduce contaminants that may adversely affect the membrane and / or densification process. Additionally, when the engine is cold at start-up, the exhaust gas downstream of the catalytic converter may be hotter than the upstream due to the exothermic reaction occurring in the transducer.
존재하는 막, 모듈, 및 관련된 시스템은 침투에 따라 CO2, 수증기 및 H2S의 분리에 영향이 있는 천연 가스의 취급에 대해 알려져 있다. 바람직한 구체 예에 있어서, 배기 가스 스트림을 처리하기 위해 사용된 촉매 변환기에 형성될 수 있는 어떤 H2S 및/또는 NH3는 막을 통과되지 않을 다른 화합물로 산화된다. 이러한 전환은 막의 위치 업스트림, 예를 들어, 니켈 및/또는 망간 화합물을 함유하는 변환기에서, 이들 화합물과 배기 가스 스트림을 접촉시켜 달성될 수 있다. Existing membranes, modules, and associated systems may be subject to CO 2 , water vapor and / It is known for the handling of natural gas that has an impact on the separation of H 2 S. In a preferred embodiment, any H 2 S and / or NH 3 that may be formed in the catalytic converter used to treat the exhaust gas stream is oxidized to another compound that will not pass through the membrane. This conversion can be achieved by contacting the exhaust stream with these compounds in a position upstream of the membrane, for example in a converter containing nickel and / or manganese compounds.
다양한 엔진으로부터의 배기 가스 스트림에 존재할 수 있는 소량의 SOx 및 NOx는 다양한 타입의 방출 제어 기기에 현재 사용된 고체 흡착제와 접촉하여, 또는 다른 알려진 방법에 의해 사전결정된 수준으로 제거 또는 감소될 수 있다. 기술분야의 당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 다수 타입의 막들은 ICE 배기 가스 스트림에 존재할 수 있는 이들 및 다른 오염물질의 ppm (parts per million) 수준에서의 농도로 효과적으로 운전할 수 있다. Small amounts of SO x and NO x that may be present in the exhaust stream from the various engines may be removed or reduced to a predetermined level by contact with the solid sorbents currently used in various types of emission control devices or by other known methods have. As can be appreciated by those skilled in the art, many types of membranes can operate effectively at concentrations on the order of parts per million (ppm) of these and other contaminants that may be present in the ICE exhaust stream.
상기 CO2 치밀화 구성요소는 일시적 온-보드 저장을 위해 CO2의 가압 및 액화 또는 고화를 보장하도록 적절한 능동/수동 냉각 시스템을 갖는 단일 또는 다단 압축기에 의해 달성될 수 있다. 상기 CO2 저장은 이동 오염원 온 보드의 단일 탱크 또는 복수 탱크에 될 수 있다. 상기 연료 탱크는 또한 연료 측과 상기 CO2 측 사이에 이동 칸막이 (moving partition), 예를 들어, 가요성 블렌더 (a flexible bladder)를 구비함으로써 고밀도화된 CO2를 저장하는데 사용될 수 있다. The CO 2 densification component can be achieved by a single or multistage compressor with a suitable active / passive cooling system to ensure pressurization and liquefaction or solidification of CO 2 for temporary on-board storage. The CO 2 storage can be in a single tank or multiple tanks of mobile source-on-board. The fuel tank also has a fuel side and a CO 2 Can be used to store dense CO 2 by having a moving partition between the sides, for example a flexible bladder.
열 관리 및 제어는 상기 시스템의 효과적인 운전을 담당하는데 요구된다. 열은 열 회수 기기에 의해 뜨거운 배기 가스로부터 제거되어야 할 것이다. 열은 전기 발생 또는 일을 위해 요구된 열을 제공하기 위해 다른 구성요소에 공급되어야 할 것이다. 열의 공급 및 제거는 전도, 대류, 방사 및/또는 이들 방법의 조합을 포함하는 다른 방법을 사용하여 달성될 수 있다. 상기 시스템의 모든 구성요소의 제어는 성능을 최적화하기 위해 이동 오염원의 엔진 관리 유닛 또는 엔진 제어 시스템 또는 개별 CO2 분리 제어 및 관리 시스템으로 통합될 수 있다. Thermal management and control are required to account for effective operation of the system. The heat will have to be removed from the hot exhaust by the heat recovery equipment. The heat will be supplied to the other components to provide the heat required for electricity generation or work. The supply and removal of heat can be accomplished using other methods including conduction, convection, radiation, and / or a combination of these methods. Control of all components of the system may be integrated into an engine management unit or engine control system or a separate CO 2 separation control and management system of mobile pollutants to optimize performance.
전도의 경우에 있어서, 열은 금속과 같은 열 전도 물질을 사용하여 공급 또는 제거될 수 있다. 만약 상기 배기 가스가 튜브를 통해 통과되면, 상기 열은 튜브 쉘을 통한 전도를 사용하여 튜브의 외부면으로부터 제거될 수 있다. 유체는 상기 튜브의 외부 쉘로부터 열을 공급 또는 제거하기 위해 사용될 수 있다. 핀 (Fins), 상기 튜브 및 다른 디자인 내부의 금속 메쉬 및 공지의 기술은 상기 뜨거운 가스와 접촉하는 표면적을 증가시키고, 열 전이를 향상시키는데 사용될 수 있다. 핀 및 다른 표면 변화는 또한 시스템의 열 전이를 향상시키기 위해 튜브의 외부 쉘에 사용될 수 있다. 상기 CO2 배기 가스는 또한 열 전이 유체를 공급 또는 제거하는데 사용된 상기 튜브의 외부 및 튜브의 내부를 통과될 수 있다. In the case of conduction, the heat may be supplied or removed using a heat conducting material such as a metal. If the exhaust gas is passed through the tube, the heat can be removed from the outer surface of the tube using conduction through the tube shell. Fluid may be used to supply or remove heat from the outer shell of the tube. Fins, metal mesh inside the tube and other designs, and known techniques can be used to increase the surface area in contact with the hot gas and to improve thermal transfer. Fin and other surface changes can also be used in the outer shell of the tube to improve thermal transfer of the system. The CO 2 The exhaust gas may also pass through the outside of the tube and the interior of the tube used to supply or remove the heat transfer fluid.
도 3 및 4는 HR 구성요소의 배치에 대한 위치를 확인한다. 이들 개략적인 도시는 비-제한 실시 예를 대표하는 것으로 이해될 수 있다. 단일 또는 다중 기술은 상기 CO2를 압축하고, 보조 장비에 동력을 공급하기 위해 상기 폐열을 전기적 에너지 또는 일로 전환하는데 사용될 수 있다. Figures 3 and 4 identify the location for the placement of the HR component. It is to be understood that these schematic representations represent non-limiting embodiments. Single or multiple techniques may be used to compress the CO 2 and convert the waste heat to electrical energy or work to power auxiliary equipment.
본 발명의 실시에 사용된 열 회수 (HR) 구성요소의 타입은 하기 타입의 장치를 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. The types of heat recovery (HR) components used in the practice of the present invention may include, but are not limited to, the following types of devices:
1. 전력을 발생시키는 열전 소자, 또는 모듈. 상기 열전 모듈의 뜨거운 측은 배기 가스 측에 설치되고, 차가운 측은 활성 시스템이라 하는 폐쇄된 냉각 시스템에 설치되거나 공기 (수동 시스템)에 노출된다. 상기 열전 모듈은 고온 측으로부터의 열의 일부를 제거하고, 치밀화 장치 및/또는 다른 온 보드 장비를 운전하는데 사용될 수 있는 전력을 발생시킨다. 1. Thermoelectric elements, or modules, that generate power. The hot side of the thermoelectric module is located on the exhaust side and the cold side is installed in a closed cooling system, called the active system, or exposed to air (passive system). The thermoelectric module removes a portion of the heat from the hot side and generates power that can be used to operate the densifier and / or other on-board equipment.
상기 폐열을 전기 에너지로 전환시키는데 사용된 열전 소자는 에너지 전환을 최적화하기 위한 상이한 위치 및 배열에 위치될 수 있다. 상기 열전 소자는 상기 소자의 뜨거운 측으로 배기 파이프, 포획 구성요소, 엔진 블럭 또는 다른 엔진 구성요소와 가열 전도성 접촉이 보장될 수 있다. 상기 열전 소자의 차가운 측은 상기 소자를 냉각하도록 공기 대류에 노출될 수 있다. 상기 열전 소자의 저온 측은 또한 능동형 냉각 시스템, 예를 들면, 순환하는 액체와 접촉할 수 있어, 열 전이를 용이하게 하고, 또한 열전 모듈의 성능을 제어한다. The thermoelectric elements used to convert the waste heat into electrical energy can be placed in different locations and arrangements to optimize energy conversion. The thermoelectric element can be secured to the hot side of the element with a heat conductive contact with the exhaust pipe, catch element, engine block or other engine components. The cold side of the thermoelectric element may be exposed to air convection to cool the element. The low temperature side of the thermoelectric element can also be in contact with an active cooling system, for example a circulating liquid, to facilitate heat transfer and to control the performance of the thermoelectric module.
열전 모듈의 뜨거운 측은 배기 가스 측에 설치되고, 차가운 측은 공기에 노출 (능동 시스템) 또는 (수동 시스템)으로 언급되는 폐쇄 냉각 시스템 (closed cooling system)에 설치된다. 상기 열전 모듈은 상기 뜨거운 측으로부터 열의 일부를 제거하고, 치밀화 장치 및/또는 다른 온 보드 장비를 운전하는데 사용될 수 있는 전력을 발생시킨다. The hot side of the thermoelectric module is installed on the exhaust side and the cold side is installed in a closed cooling system, referred to as exposure to air (active system) or (passive system). The thermoelectric module removes a portion of the heat from the hot side and generates power that can be used to operate the densifier and / or other on-board equipment.
상기 열전 소자는 배기 가스에서의 압력 강하 영향을 최소화하는 원통형 파이프 또는 직사각형 파이프와 같은 상이한 형상을 취할 수 있다. 내부 핀 및/또는 외부 핀은 또한 열전 소자의 열 전달과 이에 따른 상기 열전 소자의 성능을 향상시키도록 사용될 수 있다. 열전 소자는 고온에 사용되도록, 엔진 블럭 상에 또는 상기 엔진 블럭과 매우 근접하여 장착될 수 있다. 적당한 재료가 고온을 견디도록 선택된다. The thermoelectric element can take a different shape, such as a cylindrical pipe or a rectangular pipe, which minimizes the effect of pressure drop in the exhaust gas. The inner pin and / or the outer pin may also be used to improve the heat transfer of the thermoelectric element and thus the performance of the thermoelectric element. The thermoelectric element can be mounted on the engine block or in close proximity to the engine block for use at high temperatures. Suitable materials are selected to withstand high temperatures.
2. 열전 모듈을 사용해 발생된 전력은 전기 저장 시스템, 예를 들면, 전력을 순차로 치밀화 장치 및/또는 다른 설비에 공급하는 배터리에 공급될 수 있다. 열전 모듈용 반도체의 선택은 적용 온도 범위에 기초한다. 상이한 열전 소자를 선택하는 것은 열 회수 및 이에 따른 전기 에너지 발생을 최적화시키도록 사용될 수 있다. 2. The power generated using the thermoelectric module can be supplied to an electrical storage system, for example, a battery that supplies power sequentially to the densifier and / or other facility. The choice of semiconductors for thermoelectric modules is based on the application temperature range. Selecting different thermoelectric elements can be used to optimize heat recovery and hence electrical energy generation.
3. 실린더에서의 가스를 팽창시켜 ICE 배기로부터의 폐열이 엔진의 하나 이상의 실린더의 벽에 공급되는 스터링 엔진은 CO2를 액화하거나 고화시키기 위한 차가운 냉각제를 제공하는 압축 냉동 사이클 유닛의 압축기를 가동시키거나 치밀화 압축기를 가동시키는 필요한 기계적인 일을 실행할 수 있는 피스톤을 구동시킨다. 3. The stuttering engine, in which the gas from the cylinder is expanded to supply the waste heat from the ICE exhaust to the walls of one or more cylinders of the engine, actuates the compressor of the compression refrigeration cycle unit to provide cold coolant for liquefying or solidifying CO 2 Or drives a piston capable of performing the necessary mechanical work of actuating the densified compressor.
4. 스팀 발생기는 CO2를 액화하거나 고화시키기 위한 차가운 냉각제를 제공하는 압축 냉동 사이클 유닛의 압축기를 가동시키거나 치밀화 압축기를 가동시키는 기계적인 일을 발생시키는 터빈에 스팀을 제공한다. 4. The steam generator provides steam to the turbine that causes the mechanical operation of operating the compressor of a compression refrigeration cycle unit or of operating a densified compressor to provide cold coolant for liquefying or solidifying CO 2 .
5. 소형의 형상 기억 합금 엔진이나 압축기가 (CuSn, InTi, TiNi, 및 MnCu와 같은) 합금의 형상을 변경시키는 폐열을 사용하고, 포획된 CO2의 밀도를 증가시키는데 사용되는 기계적인 일을 발생시킨다. 엔진 압축기가 필요한 압축을 발생시키도록 합금의 고온 측과 냉각 측을 구비함으로써 운전한다. 아래 기재된 특허문헌은 이들 타입의 진귀한 합금에 기초한 열 기관을 기술하고 있다: USP 3,913,326; USP 4,055,955; USP 5,442,914; USP 7,444,812; 및 공개특허문헌 2009/0315489. 이들 특허문헌의 내용은 참조로서 본 발명의 명세서에 도입된다. 5. Small shape memory alloys Engines and compressors use waste heat to change the shape of alloys (such as CuSn, InTi, TiNi, and MnCu) and generate mechanical work used to increase the density of captured CO 2 . The engine compressor operates by having the high temperature side and the cooling side of the alloy to generate the required compression. The patent literature described below describes heat engines based on these types of rare alloys: USP 3,913,326; USP 4,055,955; USP 5,442,914; USP 7,444,812; And Published Patent Document No. 2009/0315489. The contents of these patent documents are incorporated herein by reference.
6. 단일 또는 다수의 열 회수 시스템은 상기 배기 가스 및 냉각수 시스템에 설치될 수 있다.6. Single or multiple heat recovery systems may be installed in the exhaust gas and cooling water systems.
7. 단일 또는 다수의 열 회수 시스템은 요구된 동력을 발생하고, 상기 배기 가스의 온도를 효과적으로 감소시키도록 설치될 수 있고, 이에 의해 상기 CO2를 액화 및/또는 고화하기 위해 요구된 다운스트림 에너지를 감소시킨다. 7. Single or multiple heat recovery systems can be installed to generate the required power and effectively reduce the temperature of the exhaust gases, thereby reducing the downstream energy required to liquefy and / or solidify the CO 2 .
본 발명의 다른 실시 예에 있어서, CO2의 일부는, 포획제의 재생이 적당한 도관을 통해 엔진의 공기 흡입부로 회수되어 대기 공기 및 연료와 혼합된 이후에, 회수된다. 시스템 운전의 이러한 특징은 엔진 운전 온도를 낮추고 이에 따라 연료의 연소 동안에 만들어진 NOx 화합물의 양을 감소시키도록 현재 사용된 배기 가스 재순환 (EGR)용 공지된 방법과 유사하다. 배기 가스 부피의 5 내지 15 퍼센트에 상당하는 CO2의 양이 흡입으로 회수될 수 있다. CO2의 회수가 또한 연료 혼합물에서 같이, 빼내어진 대기 질소의 양을 감소시키고, 이는 또한 배기에서의 NOx 화합물을 감소시키는 유리한 효과를 갖는다. 배기 가스 스트림에서의 CO2의 퍼센트는 또한 증가되어, 회수를 향상시킨다. In another embodiment of the present invention, a portion of the CO 2 is recovered after regeneration of the capture agent is recovered to the air intake of the engine through the appropriate conduit and mixed with atmospheric air and fuel. This feature of system operation is similar to the known method for exhaust gas recirculation (EGR) currently used to lower the engine operating temperature and thereby reduce the amount of NO x compounds made during combustion of the fuel. The amount of CO 2 equivalent to 5 to 15 percent of the exhaust gas volume can be recovered by suction. The recovery of CO 2 also reduces the amount of atmospheric nitrogen withdrawn, such as in the fuel mixture, which also has the beneficial effect of reducing NO x compounds in the exhaust. The percentage of CO 2 in the exhaust gas stream is also increased to improve recovery.
CO2의 재순환은 자동차에서의 배기 가스 재순환을 위해 전통적으로 사용된 동일한 기기와 제어 시스템에 의해 실행될 수 있다. 상기 CO2의 재순환은 또한 현 EGR 시스템과 관련하여 실행될 수 있다. 상기 CO2는 엔진 운전 조건에 기초하여 또는 현 실시에 따르면, 엔진이 차가울 때의 시동시, 또는 급격한 가속 동안 및/또는 ICE가 과부하 상태일 때에서와 같이 전반적으로 재순환을 중단시키는 것에 기초하여 배기 가스의 전부 또는 사전결정된 부분을 대체할 수 있다. Recirculation of CO 2 can be performed by the same equipment and control system traditionally used for exhaust gas recirculation in automobiles. The CO 2 recycle can also be performed in connection with the current EGR system. The CO 2 may be exhausted based on engine operating conditions or on current practice, such as when the engine is cold at start-up, during a rapid acceleration and / or when the ICE is overloaded, It may replace all or a predetermined portion of the gas.
본 발명의 또 다른 구체 예에 있어서, 상기 막 모듈로부터 회수된 CO2의 일부는 물과 혼합되고, 공지된 방법을 사용하여 촉매적으로 반응하며, 인시튜 형성된 수소 및 일산화탄소의 일시적 (interim) 반응에 의해 메탄 및 물을 형성한다. 상기 메탄 및 물은 이후 엔진 흡입부에 공급된 종래의 탄화수소 연료를 보충하는데 사용된다. 상기 CO2와 반응된 물은 이러한 목적을 위해 제공된 배기 가스 스트림 또는 별도의 온-보드 발생원 (source)으로부터 회수될 수 있다.In another embodiment of the present invention, a portion of the CO 2 recovered from the membrane module is mixed with water, catalytically reacted using known methods, and the interim reaction of the inhaled hydrogen and carbon monoxide To form methane and water. The methane and water are then used to replenish the conventional hydrocarbon fuel supplied to the engine intake. The CO 2 reacted water can be recovered from the exhaust stream or another on-board source provided for this purpose.
본 발명은 이동 오염원으로부터의 후-연소 CO2 포획 및 온-보드 저장을 설명한다. 운전 비용 및 설비 요구조건을 최소화하기 위하여, 대기로 통상적으로 방출된 이용가능한 열은, 효율적인 온-보드 저장을 위해 생산된 CO2의 전부 또는 일부를 액화 및/또는 고체화시키는 압축에 의해 연소 가스로부터 상기 CO2를 분리시키는데 요구된 에너지를 제공하도록 실질적인 최대량으로 사용된다. 그렇게 포획된 상기 CO2는 연료 공급기에서 회수를 위해 방출되거나 제거되는 경우, 재급유까지 온 보드에 저장될 수 있다. 본 발명의 장치는 개질 (reforming)과 같은 화학적 반응, 또는 엔진 디자인의 주요 변경을 포함하는 제안된 방법들과 비교하여 온 보드에 배치하는데 용이하다. The present invention describes post-burn CO 2 capture and on-board storage from mobile sources. To minimize operating costs and facility requirements, the available heat normally released into the atmosphere is removed from the combustion gas by compression to liquefy and / or solidify all or a portion of the CO 2 produced for efficient on-board storage Is used as a practical maximum amount to provide the energy required to separate the CO 2 . The CO 2 so captured can be stored onboard until refueling if it is released or removed for recovery at the fuel supplier. The device of the present invention is easy to place onboard compared to the proposed methods, including chemical reactions such as reforming, or major modifications of the engine design.
비록 본 발명의 다양한 구체 예가 전술되고 첨부된 도면에서 설명되었지만, 본 발명에 대한 다른 변경 및 변화는 하기 청구범위에 의해 결정된 본 발명의 범주 및 전술한 상세한 설명 내에서 행해질 수 있다는 것을 당업자라면 알 수 있을 것이다.
Although various embodiments of the present invention have been described above and in the accompanying drawings, it will be understood by those skilled in the art that other changes and modifications to the present invention can be made within the scope of the invention as defined by the following claims and the foregoing detailed description. There will be.
20: 배기 가스 스트림 30: 열 회수 (HR) 유닛
40: 막 모듈 50: CO2-희박 엔진 배기 스트림
80: 압력 용기 100: 터보차저
130: CO2 회수 구역 140: 막 분리 모듈
150: 열 교환기20: exhaust gas stream 30: heat recovery (HR) unit
40: membrane module 50: CO 2 - lean engine exhaust stream
80: Pressure vessel 100: Turbocharger
130: CO 2 recovery zone 140: membrane separation module
150: Heat exchanger
Claims (19)
a. 상기 ICE로부터 차량 온-보드 (on-board)의 제1 폐열 회수 구역으로 상기 배기 가스 스트림을 통과시키는 단계 및 열 교환을 위한 통과를 위해 상기 ICE로부터 뜨거운 배기 가스 스트림을 수용하기 위한 유입구 및 낮은 온도에서 냉각된 배기 스트림을 방출하는 위한 방출 유출구를 구비하는 적어도 하나의 열 교환기와 상기 고온 배기 가스 스트림을 접촉시키는 단계,
상기 제1 폐열 회수 구역은 상기 배기 가스 스트림의 폐열을 전기적 및/또는 기계적 에너지로 전환시키기 위한 적어도 하나의 열 회수 장치를 더욱 포함하고;
b. 상기 제1 폐열 회수 구역의 상기 배기 가스 스트림 방출 유출구와 유체 연통하며, 처리된 배기 가스 스트림 유출구을 포함하고 상기 냉각된 배기 가스 스트림과 접촉하는 체류면 및 CO2 방출 유출구를 구비하고 CO2가 침투하는 침투면을 갖는 막을 구비하는 적어도 하나의 막 모듈과 접촉하는 막 분리 구역으로 상기 냉각된 배기 가스 스트림을 통과시키는 단계;
c. 상기 막 모듈의 침투면으로부터 치밀화 구역으로 상기 CO2를 통과시키는 단계 및 상기 CO2의 온도 및 부피를 감소시키는 단계;
d. 상기 치밀화된 CO2를 상기 차량 온-보드에 일시적 저장을 위해 저장 구역으로 이동시키는 단계; 및
e. 감소된 CO2 함량을 갖는 상기 처리된 배기 가스 스트림을 상기 막 모듈의 상기 처리된 배기 가스 스트림 유출구와 유체 연통하는 배기 가스 도관으로 통과시키는 단계 및 상기 처리된 스트림을 대기로 방출시키는 단계를 포함하는 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법. CLAIMS What is claimed is: 1. A method of reducing the amount of CO 2 released into the atmosphere into an exhaust stream discharged by a hydrocarbon-fuel internal combustion engine (ICE) used to power a vehicle,
a. Passing the exhaust stream from the ICE to a first waste heat recovery area of a vehicle on-board and an inlet for receiving a hot exhaust gas stream from the ICE for passage for heat exchange, Contacting the hot exhaust stream with at least one heat exchanger having a discharge outlet for discharging the cooled exhaust stream in the heat exchanger,
The first waste heat recovery zone further comprising at least one heat recovery device for converting waste heat of the exhaust gas stream to electrical and / or mechanical energy;
b. The first containing communicates the exhaust stream discharge outlet of the waste heat recovery zone and the fluid, the treated exhaust stream yuchulgueul and a retention surface, and CO 2 emission outlet in contact with the cooled exhaust gas stream and penetrates the CO 2 Passing said cooled exhaust gas stream to a membrane separation zone in contact with at least one membrane module having a membrane having an impermeable surface;
c. Passing the CO 2 from a penetration surface of the membrane module into a densified zone and reducing the temperature and volume of the CO 2 ;
d. Moving the dense CO 2 to a storage area for temporary storage on the vehicle on-board; And
e. Passing the treated exhaust gas stream having a reduced CO 2 content to an exhaust gas conduit in fluid communication with the treated exhaust gas stream outlet of the membrane module and releasing the treated stream to the atmosphere A method for reducing the amount of CO 2 released into the atmosphere into an exhaust gas stream discharged by an internal combustion engine (ICE).
상기 방법은 상기 차량의 ICE의 시동 이후에 실질적으로 연속적으로 작동하는 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법. The method according to claim 1,
The method reduces the amount of CO 2 released into the atmosphere into an exhaust stream discharged by an internal combustion engine (ICE) operating substantially continuously after startup of the ICE of the vehicle.
상기 방법은 상기 CO2가 침투하는 침투면을 갖는 막을 가로지르는 압력차를 생성시키기 위해 상기 배기 가스 스트림의 열 에너지의 일부를 활용하는 단계를 포함하는 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법. The method according to claim 1,
The method includes utilizing a portion of the thermal energy of the exhaust gas stream to produce a pressure differential across the membrane having the penetrating surface through which the CO 2 is permeated. The exhaust gas stream discharged by the internal combustion engine (ICE) To reduce the amount of CO 2 released into the atmosphere.
상기 방법은 상기 배기 가스 스트림의 적어도 일부의 압력을 증가시키기 위해 터보차저를 통하여 상기 배기 가스 스트림을 통과시키는 단계를 포함하는 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법. The method according to claim 1,
The method includes a release to the atmosphere to an internal combustion engine (ICE) the exhaust gas stream discharged by the including the step of passing the exhaust stream through the turbocharger to increase at least a portion of the pressure of the exhaust gas stream, CO 2 ≪ / RTI >
상기 방법은 막 모듈로 도입되기 전에 상기 배기 가스 스트림의 온도를 감소시키기 위해 상기 터보차저의 제2 폐열 회수 구역 하류를 통하여 상기 배기 가스 스트림을 통과시키는 단계를 포함하는 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법. The method of claim 4,
(ICE) comprising passing the exhaust stream through a second waste heat recovery zone downstream of the turbocharger to reduce the temperature of the exhaust stream prior to introduction into the membrane module To reduce the amount of CO 2 released into the atmosphere into the exhaust gas stream.
상기 배기 가스 스트림의 CO2 함량은 적어도 10% 만큼 감소되는 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법. The method according to claim 1,
Wherein the CO 2 content of the exhaust stream is reduced by at least 10% to reduce the amount of CO 2 released into the atmosphere into an exhaust stream discharged by an internal combustion engine (ICE).
a. 열 교환을 위해 고온 배기 가스 스트림을 수용하고, 낮은 온도에서 상기 배기 스트림을 방출하기 위한 차량 온 보드의 제1 폐열 회수 구역,
상기 제1 폐열 회수 구역은 열 교환을 위한 통과를 위해 상기 ICE로부터 뜨거운 배기 가스 스트림을 수용하기 위한 유입구 및 냉각된 배기 가스 스트림 방출 유출구를 갖는 적어도 하나의 열 교환기를 포함하고,
상기 제1 폐열 회수 구역은 상기 배기 가스로부터의 폐열을 전기적 및/또는 기계적 에너지로 전환시키기 위한 적어도 하나의 열 교환기와 함께 작동하는 적어도 하나의 열 회수 장치를 더욱 포함하며;
b. 처리된 배기 가스 스트림 유출구을 포함하고 상기 냉각된 배기 가스 스트림에 의해 접촉된 체류면 및 CO2가 침투하는 침투면을 구비하는 막 모듈을 포함하며, 상기 제1 폐열 회수 구역으로부터 상기 배기 가스 스트림 방출 유출구와 유체 연통하는 막 분리 구역;
c. 상기 CO2를 적어도 액화시키기 위해 상기 CO2의 온도 및 부피를 감소시키고, 감소된 CO2 함량의 처리된 배기 가스 스트림을 생산하기 위한 수단을 포함하며, 침투시킨 CO2를 수용하기 위한 상기 막 모듈의 침투면과 유체 연통하는 치밀화 구역;
d. 상기 차량 온 보드에 일시적인 저장을 위해 치밀화된 CO2를 수용하는 저장 구역; 및
e. 상기 막 분리 구역으로부터 처리된 배기 가스 스트림 유출구와 유체 연통하는 배기 가스 도관을 포함하는 탄화수소-연료 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 CO2 함유 배기 가스 스트림의 온-보드 처리 시스템. An on-board treatment system for a CO 2 -containing exhaust gas stream discharged by a hydrocarbon-fuel internal combustion engine (ICE) used to power a vehicle to reduce the amount of CO 2 released into the atmosphere,
a. On board for receiving the hot exhaust gas stream for heat exchange and for discharging the exhaust stream at a low temperature,
Said first waste heat recovery section comprising at least one heat exchanger having an inlet for receiving a hot exhaust gas stream from said ICE and a cooled exhaust gas stream exhaust outlet for passage for heat exchange,
The first waste heat recovery zone further comprises at least one heat recovery device operable with at least one heat exchanger for converting waste heat from the exhaust gas to electrical and / or mechanical energy;
b. A membrane module comprising a treated exhaust gas stream outlet and having a retentive surface contacted by the cooled exhaust gas stream and a penetration surface through which CO 2 permeates, the exhaust gas stream from the first waste heat recovery section A membrane separation zone in fluid communication with the membrane separation zone;
c. The membrane module for reducing the temperature and volume of the CO 2 to at least liquefying the CO 2 and comprising means for producing an exhaust gas stream treatment of reduced CO 2 content, receiving the impregnated CO 2 A densification zone in fluid communication with the infiltration side of the chamber;
d. A storage area for receiving dense CO 2 for temporary storage on the vehicle-on-board; And
e. Board processing system of a CO 2 -containing exhaust gas stream discharged by a hydrocarbon-fuel internal combustion engine (ICE) comprising an exhaust gas conduit in fluid communication with an exhaust gas stream outlet from the membrane separation zone.
상기 시스템은 CO2의 분리를 위해 상기 막 모듈로 통과된 상기 배기 가스 스트림의 부피 양을 조절하기 위한 변환 밸브 (diverter valve)를 포함하는 탄화수소-연료 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 CO2 함유 배기 가스 스트림의 온-보드 처리 시스템. The method of claim 7,
The system comprises a hydrocarbon comprising a selector valve (diverter valve) for adjusting the volume of the amount of the exhaust gas stream passing to the membrane modules for the separation of the CO 2 - containing the CO 2 discharged by the fuel combustion engine (ICE) An on-board processing system for an exhaust gas stream.
상기 변환 밸브는 상기 ICE의 작동 조건에 기초하여 제어되는 탄화수소-연료 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 CO2 함유 배기 가스 스트림의 온-보드 처리 시스템. The method of claim 8,
Wherein said conversion valve is an on-board processing system of a CO 2 -containing exhaust gas stream discharged by a hydrocarbon-fuel internal combustion engine (ICE) controlled based on operating conditions of said ICE.
상기 변환 밸브는 상기 CO2를 적어도 액화시키기 위한 상기 치밀화 구역에서의 상기 수단의 용량에 기초하여 제어되는 탄화수소-연료 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 CO2 함유 배기 가스 스트림의 온-보드 처리 시스템. The method of claim 8,
Said conversion valve comprising an on-board processing system of a CO 2 -containing exhaust gas stream discharged by a hydrocarbon-fuel internal combustion engine (ICE) controlled based on the capacity of said means in said densification zone for at least liquefying said CO 2 .
상기 시스템은 상기 제1 폐열 회수 구역 또는 상기 막 모듈을 통한 통과없이 상기 배기 가스 스트림의 전부 또는 일부를 대기로 방출하기 위한 제어 수단을 포함하는 탄화수소-연료 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 CO2 함유 배기 가스 스트림의 온-보드 처리 시스템. The method of claim 8,
Wherein the system comprises control means for discharging all or a portion of the exhaust gas stream to the atmosphere without passing through the first waste heat recovery zone or the membrane module. ≪ RTI ID = 0.0 > Containing exhaust gas stream.
상기 시스템은 상기 막 모듈에 진입하는 상기 배기 가스 스트림의 압력을 증가시키기 위한 터보차저를 포함하는 탄화수소-연료 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 CO2 함유 배기 가스 스트림의 온-보드 처리 시스템. The method of claim 7,
The system includes the exhaust hydrocarbon containing a turbocharger for increasing the pressure of the stream entering the membrane module-fuel internal combustion engine (ICE) the CO 2 containing exhaust gas stream on the discharge by the on-board processing system.
상기 시스템은 상기 막 모듈의 침투면과 유체 연통하는 CO2용 저압 유입구를 포함하는 탄화수소-연료 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 CO2 함유 배기 가스 스트림의 온-보드 처리 시스템. The method of claim 7,
Board processing system of a CO 2 -containing exhaust gas stream discharged by a hydrocarbon-fuel internal combustion engine (ICE), the system comprising a low-pressure inlet for CO 2 in fluid communication with a penetration surface of the membrane module.
상기 방법은 상기 막 모듈의 침투면으로부터 회수된 CO2의 일부를 상기 ICE로 통과시키는 단계를 포함하는 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법. The method according to claim 1,
The method comprising passing an amount of CO 2 recovered from the infiltration side of the membrane module through the ICE to reduce the amount of CO 2 released into the atmosphere into the exhaust gas stream discharged by the internal combustion engine (ICE) Way.
상기 열 회수 장치에 의해 생산된 전기적 및/또는 기계적 에너지의 적어도 일부는 상기 차량 온 보드의 보조 전기적 및/또는 기계적 시스템의 동력을 공급하기 위해 사용되는 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법. The method according to claim 1,
At least a portion of the electrical and / or mechanical energy produced by the heat recovery apparatus is supplied to an exhaust gas stream (10) exhausted by an internal combustion engine (ICE) used to power the auxiliary electrical and / To reduce the amount of CO 2 released into the atmosphere.
상기 막 모듈의 침투면으로부터 회수된 CO2의 일부는 차량 온 보드의 공기 조화 장치에서 냉매 가스로 활용되는 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법. The method according to claim 1,
A portion of the CO 2 recovered from the infiltration side of the membrane module reduces the amount of CO 2 released to the atmosphere into the exhaust gas stream discharged by the internal combustion engine (ICE) utilized as refrigerant gas in the vehicle- How to do it.
a. 상기 ICE로부터 차량 온-보드의 제1 열 교환 구역으로 뜨거운 배기 가스 스트림을 통과시키는 단계 및 열 교환을 위한 통과를 위해 상기 ICE로부터 상기 뜨거운 배기 가스 스트림을 수용하기 위한 유입구 및 낮은 온도에서 냉각된 배기 스트림을 방출하는 위한 방출 유출구를 구비하는 적어도 하나의 열 교환기와 고온 스트림에서 뜨거운 배기 가스를 접촉시키는 단계,
상기 제1 열 교환 구역은 상기 배기 가스 스트림의 온도를 감소시키기 위해 적어도 하나의 열 교환기로 열 교환을 위해 공기를 통과시키는 공기 스트림을 수용하기 위한 적어도 하나의 유입구를 더욱 포함하며;
b. 상기 제1 열 교환 구역의 상기 배기 가스 스트림 방출 유출구와 유체 연통하며, 처리된 배기 가스 스트림 유출구을 포함하고 상기 냉각된 배기 가스 스트림과 접촉하는 체류면 및 CO2 방출 유출구를 구비하고 CO2가 침투하는 침투면을 갖는 막을 구비하는 적어도 하나의 막 모듈과 접촉하는 막 분리 구역으로 상기 냉각된 배기 가스 스트림을 통과시키는 단계;
c. 상기 막 모듈의 침투면으로부터 치밀화 구역으로 상기 CO2를 통과시키는 단계 및 상기 CO2의 온도 및 부피를 감소시키는 단계;
d. 상기 치밀화된 CO2를 상기 차량 온 보드에 일시적 저장을 위해 저장 구역으로 이동시키는 단계; 및
e. 감소된 CO2 함량을 갖는 상기 처리된 배기 가스 스트림을 상기 막 모듈의 상기 처리된 배기 가스 스트림 유출구와 유체 연통하는 배기 가스 도관으로 통과시키는 단계 및 상기 처리된 스트림을 대기로 방출시키는 단계를 포함하는 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법. CLAIMS What is claimed is: 1. A method of reducing the amount of CO 2 released into the atmosphere into an exhaust stream discharged by a hydrocarbon-fuel internal combustion engine (ICE) used to power a vehicle,
a. Passing an hot exhaust stream from the ICE to a first heat exchange zone of the vehicle on-board and an inlet for receiving the hot exhaust gas stream from the ICE for passage for heat exchange, Contacting the hot exhaust gas in the hot stream with at least one heat exchanger having a discharge outlet for discharging the stream,
The first heat exchange zone further comprises at least one inlet for receiving an air stream for passing air for heat exchange to at least one heat exchanger to reduce the temperature of the exhaust gas stream;
b. Wherein the first row and in the exchange zone in fluid communication with the exhaust stream discharge outlet, comprising treatment of exhaust gas streams yuchulgueul and a retention surface, and CO 2 emission outlet in contact with the cooled exhaust gas stream and that the CO 2 penetrate Passing said cooled exhaust gas stream to a membrane separation zone in contact with at least one membrane module having a membrane having an impermeable surface;
c. Passing the CO 2 from a penetration surface of the membrane module into a densified zone and reducing the temperature and volume of the CO 2 ;
d. Moving the dense CO 2 to a storage area for temporary storage on the vehicle on board; And
e. Passing the treated exhaust gas stream having a reduced CO 2 content to an exhaust gas conduit in fluid communication with the treated exhaust gas stream outlet of the membrane module and releasing the treated stream to the atmosphere A method for reducing the amount of CO 2 released into the atmosphere into an exhaust gas stream discharged by an internal combustion engine (ICE).
상기 제1 열 교환 구역에서 상기 열 교환기를 통하여 주변 공기가 통과되는 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법. 18. The method of claim 17,
(ICE) in which ambient air is passed through the heat exchanger in the first heat exchange zone to reduce the amount of CO 2 released into the atmosphere into the exhaust gas stream.
상기 방법은 상기 제1 열 교환 구역에서 상기 열 교환기를 통하여 공기를 통과시키기 전에 주변 공기를 냉각시키는 단계를 포함하는 내연기관 (ICE)에 의해 배출된 배기 가스 스트림으로 대기로 방출된 CO2의 양을 감소시키는 방법. 18. The method of claim 17,
The method includes cooling the ambient air prior to passing air through the heat exchanger in the first heat exchange zone, wherein the amount of CO 2 released to the atmosphere into the exhaust gas stream discharged by the internal combustion engine (ICE) / RTI >
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